Сколько весит воздух? На первый взгляд, это совершенно бессмысленный вопрос, ведь воздух нельзя потрогать, он, как мы привыкли думать, не давит на нас, он совсем невидим, не ощущается, и вообще, разве может воздух что-то весить? Даже говорят иногда про худеньких и костлявых людей: "Да он (или она) легче воздуха!". Сколько весит воздух, кажется, вопрос совсем абсурдный. И тем не менее, откуда-то он берется.
Вопрос о том, сколько весит воздух, далеко не так абсурден, как кажется на первый взгляд. Он вовсе не лишен смысла, когда речь идет о весе воздуха в контексте химических реакций и расчетов. Обычно химики оперируют молярной массой воздуха.
Что же это такое и каким образом ученым удалось взвесить воздух? Они пользовались какими-то особыми весами? И чему масса воздуха равна? В чем ее измерять? И что делать, если нужно рассчитать вес очень большого объема воздуха?
Что такое молярная масса?
Молярная масса — это отношение (знак деления) массы вещества к количеству молей этого вещества. Иными словами, молярной массой вещества называется масса одного моля этого вещества.
Общепринятая форма записи молярной массы в химических формулах — заглавная буква "М". То есть, если вам нужно записать формулой фразу "молярная масса вещества равна", она будет выглядеть следующим образом: "М = ..."
Обычно нижним индексом указывают, молярная масса какого вещества имеется в виду. Для сложного вещества, такого, как воздух, не имеющего определенной краткой формы записи, можно указывать также в скобках. Тогда молярную массу воздуха можно обозначать как Мвоздуха или как М (воздуха). Более предпочтителен все же вариант записи нижним индексом.
В чем измеряется молярная масса?
Единицей измерения молярной массы в Международной системе единиц (СИ) является килограмм на моль. В сокращенном виде в русскоязычном варианте это будет выглядеть как "кг/моль", а принятое международное сокращение записывается как kg/mol. Исторически, однако, сложилось так, что молярная масса измеряется в граммах на моль, так как речь, как правило, ведется об очень малых величинах и количествах вещества, а значит, килограммы здесь только утяжелили бы расчеты, не выполняя никакой иной функции.
Что такое моль?
Как уже было сказано выше, молярная масса выражает вес одного моля вещества. Но что же такое этот моль? Как его посчитать? Кто и когда решил считать массу в молях?
Моль, согласно Резолюции XIV Генеральной конференции по мерам и весам, принятой в 1971 году, и Положению о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации, определяется как количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. В качестве структурных элементов могут выступать атомы, молекулы, ионы, электроны или другие частицы и специфицированные группы частиц.
Название этой величины происходит от латинского moles, означающего "количество, масса, счетное множество".
Какова молярная масса воздуха?
Так сколько же все-таки весит воздух? Химики могут дать точный ответ на этот вопрос. Средняя молярная масса воздуха составляет 28,98 граммов на моль. Для простоты расчетов в учебных целях это число обычно округляют до 29 граммов на моль. Записывается это при решении химических уравнений как 28,98 г/моль или как 29 г/моль. Молярная масса воздуха для типовых расчетов, которые не требуют высокой точности, является неизменной.
Как удалось взвесить моль воздуха?
Воздух — это смесь различных газов. В основном в его состав входят азот и кислород. Вместе их доля в воздухе составляет более 98 процентов. Помимо них, в воздухе содержатся водород, углекислый газ, аргон и совсем крошечные примеси других газов, которые образуют атмосферу Земли, а также мельчайшие частицы водяного пара.
Молярная масса воздуха высчитывается как молярная масса смеси нескольких веществ, входящих в его состав. То есть для нахождения ее необходимо найти среднее арифметическое взвешенное молярной массы массовых долей, которые входят в состав индивидуальных веществ, образующих воздух.
Для удобства подсчетов химиками берутся некоторые идеальные значения молярных масс газов, входящих в состав воздуха, а также некоторые абсолютные доли этих газов в воздухе. Число 28,98 граммов на моль получается в результате нахождения среднего арифметического взвешенного с использованием этих данных.
Всегда ли моль воздуха будет весить ровно столько?
Поскольку воздух представляет собой смесь газов, он представляет собой неустойчивое соединение, в котором точные доли веществ могут изменяться в зависимости от различных условий.
Так, например, содержание в воздухе углекислого газа выше в крупных городах, чем в сельской местности, или тем более в лесах, где он потребляется деревьями, напротив, привносящими в его состав больший процент кислорода. Вообще, состав воздуха в городской среде очень сильно изменен еще и за счет выхлопных газов, работы заводов и предприятий, неравномерной концентрации зеленых и закатанных в бетон и цемент участков, а также промышленных и рекреационных зон.
Другое проявление различий в составе воздуха в разных местах хорошо знакомо альпинистам. Связано оно с тем, что молекулы кислорода имеют большую массу, а потому с высотой его концентрация в воздухе уменьшается. Следовательно, в высокогорных районах кислорода в воздухе содержится намного меньше, чем на равнине или в низине. Концентрация азота в воздухе при этом становится с высотой выше за счет уменьшения концентрации кислорода, так как этот газ имеет меньшую молярную массу, чем молярная масса кислорода. Именно поэтому покорителям горных вершин приходится таскать на себе кислородные баллоны, а у впервые попавшего в горную местность человека может закружиться голова.
Также оказывает влияние на концентрацию газов в воздухе водяной пар. Доля его содержания в воздухе зависит от влажности, температуры, климата, времени года и некоторых других условий. Доля его обычно не слишком значительна, однако может достигать в отдельных местностях нескольких процентов.
Каким образом можно найти массу большего количества воздуха?
Зная молярную массу воздуха, можно рассчитать, сколько весит больший объем воздуха. Для этого необходимо знать количество воздуха.
Масса воздуха рассчитывается путем умножения количества воздуха на его молярную массу. Если записать это утверждение в виде формулы, схема расчетов будет выглядеть следующим образом: m = V × M. В этой формуле m обозначает массу воздуха, V — количество воздуха в молях, а M — молярную массу воздуха.
