Воздух - это естественная смесь газов, окружающая нас повсеместно. Мы дышим воздухом, летаем в воздухе на самолетах, изучаем состав воздуха. Но что же представляет собой воздух на самом деле? Долгое время считалось, что воздух - это простое однородное вещество. В 18 веке было доказано, что на самом деле он представляет собой сложную смесь разных газов. Основу составляют азот и кислород, но также присутствует множество других компонентов, которые могут варьироваться.
Сейчас известно, что в чистом виде в воздухе содержится около 78% азота и 21% кислорода. Также там есть аргон, углекислый газ, водяной пар, инертные газы и др. В городах в воздух попадает много загрязняющих веществ, поэтому его состав может существенно меняться.
Воздух обладает важными физическими свойствами, такими как плотность, теплоемкость, теплопроводность. Он необходим для дыхания и жизнедеятельности большинства живых организмов на Земле.
История изучения химического состава воздуха
С древних времен воздух долгое время считался простым веществом. Ученые древности приписывали ему различные философские значения. Так, в Древней Греции воздух считался одной из основополагающих космических стихий, наряду с огнем, землей и водой. Философ Аристотель относил воздух к элементам, олицетворяющим влажность и тепло.
В XVII веке было доказано, что воздух - это материальная сущность, вещество, свойства которого можно измерить. А в XVIII веке начались эксперименты с запаянными химическими сосудами. Обнаружилось, что при реакциях с некоторыми веществами часть объема воздуха поглощается, а оставшаяся часть уже не поддерживает горение и дыхание. Это привело к выводу, что «воздух» - смесь, состоящая из двух составляющих.
Так был открыт кислород - часть воздуха, необходимая для поддержания горения. Чуть позже выделили в чистом виде азот - инертную часть «испорченного воздуха». В самом конце XIX века стали известны и другие компоненты воздуха - аргон, гелий, криптон, ксенон, радон и неон. В итоге воздух был признан сложной смесью газов.
Из чего состоит воздух, выяснялось экспериментально на протяжении веков
Основные компоненты и их процентное содержание
Согласно современным данным, сухой воздух состоит из смеси газов, в которой преобладают азот и кислород. Рассмотрим основные компоненты воздуха и их процентное содержание:
- Азот (N₂) - 78,09%
- Кислород (O₂) - 20,95%
- Аргон (Ar) - 0,93%
- Углекислый газ (CO₂) - 0,04%
Итого на долю азота, кислорода, аргона и углекислого газа приходится около 99,99% объема сухого воздуха при нормальных условиях. Остальную часть составляют минорные компоненты - водород, гелий, неон, метан, оксид азота, ксенон и следы водяного пара.
Подробнее рассмотрим основные из перечисленных выше газов:
- Азот (N₂) - бесцветный, не обладающий запахом газ, который составляет около четырех пятых атмосферы Земли. Азот очень инертен химически, практически не взаимодействует с другими веществами. Источником его образования в атмосфере считается вулканическая и тектоническая деятельность.
- Кислород (O₂) - жизненно важный окислитель, придающий воздуху поддерживающие дыхание и горение свойства. Бесцветный газ без запаха и вкуса, слабо растворяется в воде. Кислород образуется в результате фотосинтеза зелеными растениями и цианобактериями.
- Аргон (Ar) - инертный, бесцветный газ без запаха и вкуса. Не вступает в химические реакции при обычных условиях. Добывается из жидкого воздуха методом фракционной перегонки.
Очищенный от других компонентов воздух, сжиженный и охлажденный до сверхнизких температур, становится источником получения технических газов - азота, кислорода, аргона и других инертных газов путем разделения фракций. Из чего же состоит воздух? Мы видим, что главными его компонентами являются азот и кислород, что и определяет химические и физические свойства воздушной смеси.
Вариации состава воздуха в разных условиях
Хотя относительное содержание основных компонентов воздуха (азота и кислорода) остается довольно постоянным, при определенных условиях в атмосфере возможны значительные отклонения от среднестатистического состава воздуха. Давайте рассмотрим факторы, влияющие на вариативность состава воздушной смеси:
- Географическое положение и высота над уровнем моря
- Климатические условия
- Наличие источников загрязнения и антропогенное влияние
- Интенсивность фотосинтеза растений
Высота над уровнем моря является одним из ключевых факторов. С увеличением высоты содержание кислорода постепенно снижается из-за уменьшения общего атмосферного давления. Азот, будучи более легким газом, также постепенно разрежается, но не так интенсивно, как кислород. Поэтому на больших высотах и в горах процентное содержание азота повышается за счет относительного снижения концентрации кислорода.
Климатические условия определяют содержание в воздухе водяного пара и углекислого газа. В жарких регионах концентрация водяных паров значительно выше, чем в холодных, а уровень углекислого газа напрямую связан с активностью растительности. В пустынных зонах из-за низкой биологической продуктивности углекислого газа меньше, чем в зонах с влажным дождевым климатом.
Выбросы промышленных предприятий, транспорта и других антропогенных источников могут значительно менять состав воздуха. Так, повышенные концентрации углекислого газа, оксидов азота, серы, углеводородов наблюдаются в мегаполисах и промышленных зонах. Кроме того, растения в процессе фотосинтеза поглощают углекислый газ, обогащая воздух кислородом. Поэтому в лесах доля кислорода слегка повышена по сравнению со средними показателями.
Таким образом, мы видим, то, из чего состоит воздух, зависит от многих условий и факторов внешней среды. При этом значительные вариации возможны лишь для минорных компонентов - основа воздуха, азот и кислород, остается достаточно стабильной в разных регионах Земли.
Важнейшие физические характеристики воздуха
Помимо химического состава, воздух обладает рядом физических свойств, знание которых важно для понимания поведения газовой смеси в разных условиях. Рассмотрим основные физические параметры воздуха:
- Масса и плотность
- Теплоемкость и теплопроводность
- Вязкость
- Оптические свойства
Средняя молекулярная масса сухого воздуха составляет около 28,96 г/моль при нормальных условиях. Плотность воздуха зависит от его состава, влажности, давления и температуры. При нормальных условиях (0°С, 101,325 кПа) плотность сухого воздуха принимается равной 1,2928 кг/м³.
Теплоемкость воздуха описывает его способность накапливать и отдавать тепловую энергию. Она невелика - всего около 1 кДж/(кг·°C). Низкая теплопроводность воздуха (0,024 Вт/(м·К) при 0°С) обуславливает неравномерный прогрев и остывание воздушных масс, порождая конвекционные потоки.
Вязкость, или внутреннее трение, характеризует способность воздуха оказывать сопротивление перемещению в нем твердых тел. Для сухого воздуха при 20°С она равна примерно 0,018 сП. С повышением температуры вязкость воздуха растет.
В оптическом диапазоне воздух практически прозрачен - видимый свет проходит сквозь него почти без потерь. То, из чего состоит воздух, влияет на показатель преломления световых лучей. Для стандартных условий он равен примерно 1,0003.
Перечисленные физические свойства воздуха необходимы для понимания процессов теплопередачи, аэродинамики, акустики и многих других областей науки и техники.
