Каково содержание газа в воздухе по объему и массе

Что такое воздух

Итак, атмосферный воздух – это смесь газов, о чем уже было сказано выше. Однако это не полное определение, чтобы расширить его, обратимся к истории. В 1754 году шотландский физик и химик Джозеф Блэк в процессе нагревания белой магнезии обнаружил выделение «связанного воздуха», а именно это был столь популярный в нашем блоге 🙂 углекислый газ в воздухе. Получив СО2, мистер Блэк сделал еще одно очень важное открытие – состав воздуха, до этого считавшегося одним веществом, неоднороден.

Джозеф Блэк фактически показал дорогу другим ученым, которые друг за другом стали все больше расшифровывать состав атмосферы, вычислять кислород в воздухе и другие газы. А затем и сформировалось то самое определение, которое сегодня звучит так: воздух – это смесь газов, образующая атмосферу Земли. Основная функция воздуха – делать планету пригодной для дыхания и существования живых организмов. Для него создан федеральный закон Российской Федерации «Об охране атмосферного воздуха», а также атмосфера является источником инертных газов, которые добываются из воздуха путем сжижения. Итак, из каких газов состоит воздух?

Какие газы входят в состав воздуха

Оговоримся сразу, азот в воздухе занимает большую часть, однако и химический состав оставшейся доли весьма интересен и разнообразен. Если коротко, то список основных элементов выглядит следующим образом.

Однако дадим и небольшие пояснения по функциям этих химических элементов.

Содержание азота в воздухе – 78% по объему и 75% по массе, то есть этот элемент доминирует в атмосфере, имеет звание одного из самых распространенных на Земле, и, кроме того, содержится и за пределами зоны обитания человека – на Уране, Нептуне и в межзвездных пространствах. Итак, сколько азота в воздухе, мы уже разобрались, остался вопрос о его функции. Азот необходим для существования живых существ, он входит в состав:

В среднем около 2% живой клетки составляют как раз атомы азота, что объясняет, зачем столько азота в воздухе в процентах объема и массы. Азот также является одним из инертных газов, добываемых из атмосферного воздуха. Из него синтезируют аммиак, используют для охлаждения и в других целях.

Содержание кислорода в воздухе – один из самых популярных вопросов. Сохраняя интригу, отвлечемся на один забавный факт: кислород открыли дважды – в 1771 и 1774 годах, однако из-за разницы в публикациях открытия, почести открытия элемента достались английскому химику Джозефу Пристли, который фактически выделил кислород вторым. Итак, доля кислорода в воздухе колеблется около 21% по объему и 23% по массе. Вместе с азотом эти два газа образуют 99% всего земного воздуха. Однако процент кислорода в воздухе меньше, чем азота, и при этом мы не испытываем проблем с дыханием. Дело в том, что количество кислорода в воздухе оптимально рассчитано именно для нормального дыхания, в чистом виде этот газ действует на организм подобно яду, приводит к затруднениям в работе нервной системы, сбоям дыхания и кровообращения. При этом недостаток кислорода также негативно сказывается на здоровье, вызывая кислородное голодание и все связанные с ним неприятные симптомы. Поэтому сколько кислорода в воздухе содержится, столько и нужно для здорового полноценного дыхания.

Аргон в воздухе занимает третье место, он не имеет запаха, цвета и вкуса. Значимой биологической роли этого газа не выявлено, однако он обладает наркотическим эффектом и даже считается допингом. Добытый из атмосферы аргон используют в промышленности, медицине, для создания искусственной атмосферы, химического синтеза, пожаротушения, создания лазеров и пр.

Углекислый газ

Углекислый газ составляет атмосферу Венеры и Марса, его процент в земном воздухе куда ниже. При этом огромное количество углекислоты содержится в океане, он регулярно поставляется всеми дышащими организмами, выбрасывается за счет работы промышленности. В жизни человека углекислый газ используется в пожаротушении, пищевой промышленности как газ и как пищевая добавка Е290 – консервант и разрыхлитель. В твердом виде углекислота – один из самых известных хладагентов «сухой лед».

Тот самый загадочный свет дискотечных фонарей, яркие вывески и современные фары используют пятый по распространенности химический элемент, который также вдыхает человек – неон. Как и многие инертные газы, неон оказывает на человека наркотическое действие при определенном давлении, однако именно этот газ используют в подготовке водолазов и других людей, работающих при повышенном давлении. Также неоново-гелиевые смеси используются в медицине при расстройствах дыхания, сам неон используют для охлаждения, в производстве сигнальных огней и тех самых неоновых ламп. Однако, вопреки стереотипу, неоновый свет не синий, а красный. Все остальные цвета дают лампы с другими газами.

Метан и воздух имеют очень древнюю историю: в первичной атмосфере, еще до появления человека, метан был в куда большем количестве. Сейчас этот газ, добываемый и используемый как топливо и сырье в производстве, не так широко распространен в атмосфере, но по-прежнему выделяется из Земли. Современные исследования устанавливают роль метана в дыхании и жизнедеятельности организма человека, однако авторитетных данных на этот счет пока нет.

Посмотрев, сколько гелия в воздухе, любой поймет, что этот газ не относится к числу первостепенных по важности. Действительно, сложно определить биологическое значение этого газа. Не считая забавного искажения голоса при вдыхании гелия из шарика 🙂 Однако гелий широко применяется в промышленности: в металлургии, пищевой промышленности, для наполнения воздухоплавающих судов и метеорологических зондов, в лазерах, ядерных реакторах и т.д.

Речь не идет о родине Супермена 🙂 Криптон – инертный газ, который в три раза тяжелее воздуха, химически инертен, добывается из воздуха, используется в лампах накаливания, лазерах и все еще активно изучается. Из интересных свойств криптона стоит отметить, что при давлении в 3,5 атмосферы он оказывает наркотический эффект на человека, а при 6 атмосферах приобретает резкий запах.

Водород в воздухе занимает 0,00005% по объему и 0,00008% по массе, но при этом именно он – самый распространенный элемент во Вселенной. О его истории, производстве и применении вполне можно написать отдельную статью, поэтому сейчас ограничимся небольшим списком отраслей: химическая, топливная, пищевая промышленности, авиация, метеорология, электроэнергетика.

Последний в составе воздуха, изначально и вовсе считавшийся только примесью к криптону. Его название переводится как «чужой», а процент содержания и на Земле, и за ее пределами минимальный, что обусловило его высокую стоимость. Сейчас без ксенона не обходятся: производство мощных и импульсных источников света, диагностика и наркоз в медицине, двигатели космических аппаратов, ракетное топливо. Кроме того, при вдыхании ксенон значительно понижает голос (обратный эффект гелию), а с недавнего времени вдыхание этого газа причислено к списку допингов.

Физические свойства воздуха

Как и у всякой смеси веществ, сегодня можно установить физические свойства воздуха.

Каким бы ни был состав воздуха, необходимо стараться исключать из него «химические добавки» от деятельности промышленности и по возможности вдыхать только чистый, свежий, и даже подогретый качественным бризером воздух в городе или первозданный – на природе. В любом случае, воздух – один из самых известных и малопонятных для не специалиста коктейлей, который необходим для жизни. На протяжении всей своей истории человечество неоднократно романтизировало образ воздушной стихии, превознося ее способность проникать сквозь границы и легкость, называя воздух символом свободы.

Дышите чистым и свободным от загрязнений воздухом и будьте здоровы!

Химический состав воздуха

— Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов. В его составе имеются постоянные компоненты атмосферы – кислород (21%), азот (объем 78,08%; масса 75,50%), углекислота (объем 0,03%; масса 0,046%), инертные газы (объем 0,94%; масса 1,30%), а также в переменных количествах различные примеси природного происхождения и загрязнения, возникающие в результате хозяйственно-производственной деятельности человека.

— Из постоянных составных частей воздуха основное значение имеет кислород (О2), который необходим для осуществления окислительных процессов в организме. В атмосферном воздухе содержание кислорода равно 20,95%, в выдыхаемом человеком 15,4-16%. Снижение его содержания до 13-15% может привести к нарушению физиологических функций организма, до 7-8% – к смертельному исходу.

— Состав воздуха

Давно ли известен состав воздуха

— Древнегреческий философ Анаксимен (560-450 до н.э.) первым предположил, что воздух является основным элементом, из которого образованы тела. Аристотель (384-322 до н.э.) считал воздух одним из четырех начал, олицетворяющим, по его мнению, два качества: влажное и теплое.

— Один из основоположников газовой химии шведский ученый К. Шееле (1742-1786) писал в то время: «Исследования воздуха являются в настоящее время важнейшим предметом химии». В период с 1768 по 1773 г. К. Шееле поставил ряд опытов по изучению взаимодействия воздуха, находящегося в замкнутом пространстве с различными веществами: сульфидом калия, льняным маслом, раствором серы в известковой воде и пр.

— Независимо от К. Шееле кислород был открыт английским химиком Джозефом Пристли, который в середине 1774 г. Пытался выяснить, какие виды воздуха могут выделиться из различных химических веществ при их нагревании сфокусированными солнечными лучами.

— В 1784 г. Г. Кавендиш занимался изучением воздействия на воздух электрических искр. Воздух находился в изогнутой стеклянной трубке, наполненной ртутью и раствором щелочи. Эта трубка соединяла два сосуда, также наполненные ртутью. При пропускании искры через воздух синтезировалась двуокись азота, которая поглощалась щелочью (с образованием при этом селитры).

Роль и значение основных газов атмосферного воздуха

Состав и строение атмосферы.

Атмосфера – газовая оболочка Земли. Вертикальная протяженность атмосферы более трех земных радиусов (средний радиус равен 6371 км) а масса – 5,157х1015 т, что составляет примерно миллионную от массы Земли.

В основу деления атмосферы на слои в вертикальном направлении положено следующее:

– состав атмосферного воздуха,

– физико-химические процессы;

– распределение температуры по высоте;

– взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью.

Атмосфера нашей планеты представляет собой механическую смесь различных газов, в том числе водяного пара, а также некоторого количества аэрозолей. Состав сухого воздуха в нижнем 100 км остается практически постоянным. Чистый и сухой воздух, в ко­тором нет водяного пара, пыли и других примесей, представляет со­бой смесь газов, главным образом азота (78 % объема воздуха) и ки­слорода (21 %). Немного менее одного процента составляет аргон и в очень малых количествах находится множество других газов — ксе­нон, криптон, углекислый газ, водород, гелий и др. (табл. 1.1).

Азот, кислород и другие составляющие атмосферного воздуха нахо­дятся в атмосфере всегда в газообразном состоянии, так как критические температуры, то есть температуры, при которых они могут находиться в жидком состоянии, много ниже температур, наблюдаемых у поверхно­сти Земли. Исключение составляет углекислый газ. Однако для перехода в жидкое состояние кроме температуры необходимо еще достижение состояния насыщения. В атмосфере углекислого газа немного (0,03 %) и он находится в виде отдельных молекул, равномерно распределенных среди молекул других атмосферных газов. За последние 60-70 лет его содержание увеличилось на 10-12%, под влиянием деятельности человека.

Больше других подвержено изменению содержание водяного пара, концентрация которого у поверхности Земли при высокой температуре может достигать 4%. С увеличением высоты и понижением температуры содержание водяного пара резко убывает ( на высоте 1,5-2,0 км – наполовину и в 10-15 раз от экватора к полюсу).

Масса твердых примесей за последние 70 лет в атмосфере северного полушария возросла примерно в 1,5 раза.

Постоянство газового состава воздуха обеспечивается интенсив­ным перемешиванием нижнего слоя воздуха.

Газовый состав нижних слоев сухого воздуха (без водяного пара)

Роль и значение основных газов атмосферного воздуха

КИСЛОРОД (О) жизненно необходим почти для всех обитателей планеты. Это активный газ. Он участвует в химических реакциях с другими газами атмосферы. Кислород активно поглощает лучистую энергию, особенно очень короткие волны длиной менее 2.4 мкм. Под действием солнечного ультрафиолетового излучения (X < 03 мкм), молекула кислорода распадается на атомы. Атомарный кислород, со­единяясь с молекулой кислорода, образует новое вещество – трех­атомный кислород или озон (Оз). Озон в основном находится на больших высотах. Там егороль для планеты исключительно благо­творна. У поверхности Земли озон образуется при грозовых разрядах.

В отличие от всех других газов в атмосфере, которые не имеют ни вкуса, ни запаха, озон имеет характерный запах. В переводе с грече­ского языка слово «озон» означает «остро пахнущий». После грозы этот запах приятен, он воспринимается как запах свежести. В больших количествах озон является отравляющим веществом. В городах с большим количеством автомобилей, а значит и большими выбросами автомобильных газов, в безоблачную или малооблачную погоду под действием солнечных лучей образуется озон. Город окутывается жел­то-синим облаком, видимость ухудшается. Это фотохимический смог.

АЗОТ (N2) — нейтральный газ, он, не вступает в реакции с други­ми газами атмосферы, не участвует в поглощении лучистой энергии.

До высот 500 км атмосфера в основном состоит из кислорода и азота. При этом, если в нижнем слое атмосферы преобладает азот, то на больших высотах кислорода больше, чем азота.

АРГОН (Аг) — нейтральный газ, в реакции не вступает, в погло­щении и излучении лучистой энергии не участвует. Аналогично — ксенон, криптон и многие другие газы. Аргон — тяжелое вещество, в высоких слоях атмосферы его очень мало.

УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА (С02) в атмосфере в среднем 0,03 %. Этот газ очень необходим растениям и активно ими поглощается. Фактиче­ское количество его в воздухе может несколько изменяться. В индуст­риальных районах его количество может увеличиваться до 0.05 %. В сельской местности, над лесами, полями его меньше. Над Антаркти­дой примерно 0,02 % углекислого газа, т. е. почти на Уз меньше сред­него его количества в атмосфере. Столько же и даже меньше его над морем — 0.01 – 0.02 %, так как углекислый газ интенсивно поглоща­ется водой.

В слое воздуха, который непосредственно примыкает к земной по­верхности, количество углекислого газа испытывает и суточные коле­бания.

Ночью его больше, днем меньше. Объясняется это тем, что в светлое время суток углекислый газ поглощается растениями, а ночью нет. Растения планеты на протяжении года берут из атмосферы около 550 млрд. т. и возвращают в нее около 400 млрд. т. кислорода.

Углекислый газ полностью прозрачен для солнечных коротковол­новых лучей, но интенсивно поглощает тепловое инфракрасное излу­чение Земли. С этим связана проблема парникового эффекта, по пово­ду которого периодически разгораются дискуссии на страницах науч­ной печати, а, главным образом, в массмедиа.

ГЕЛИЙ (Не) — очень легкий газ. Он поступает в атмосферу из земной коры в результате радиоактивного распада тория и урана. Ге­лий улетучивается в космическое пространство. Скорость убывания гелия соответствует скорости поступления его из недр Земли. От вы­соты 600 км до 16000 км наша атмосфера состоит главным образом из гелия. Это «гелиевая корона Земли» по выражению Вернадского. Ге­лий не вступает в реакции с другими газами атмосферы, не участвует в лучистом теплообмене.

ВОДОРОД (Нг) еще более легкий газ. У поверхности Земли его очень мало. Он поднимается в верхние слои атмосферы. В термосфере и экзосфере атомарный водород становится доминирующим компо­нентом. Водород — это самая верхняя, самая дальняя оболочка нашей планеты. Выше 16000 км до верхней границы атмосферы, то есть до высот 30 – 40 тыс. км, преобладает водород. Таким образом, химиче­ский состав нашей атмосферы с высотой приближается к химическо­му составу Вселенной, в которой водород и гелий — наиболее рас­пространенные элементы. В самой внешней, крайне разряженной части верхней атмосферы, происходит убегание из атмосферы водорода и гелия. Отдельные их атомы имеют для этого достаточно большие скорости.