Воздух - состав и физические свойства воздуха

Воздух — естественная смесь газов, главным образом азота и кислорода, составляющая земную атмосферу. В воздухе содержится кислород, необходимый для нормального существования подавляющего числа живых организмов (дыхание, аэробы). Сжиганием топлива на воздухе человечество издавна получает необходимое для жизни и производственной деятельности тепло.

Тот факт, что воздух является не отдельным веществом, а смесью газов, первым доказал французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794). В 1774 при прокаливании металлов в запаянной реторте он заметил, что с металлом соединяется только часть воздуха. На основании этого он сделал вывод, что воздух состоит из двух газов, из которых один может соединяться с металлом, а другой – нет.

Эту гипотезу А.Лавуазье проверил в 1775, поместив некоторое количество ртути в реторту, изогнутое горло которой сообщалось с воздухом в стеклянном колоколе, погруженном в ртуть (рис. 1). Лавуазье нагревал реторту чуть ниже температуры кипения ртути в течение 12 дней. По истечение этого времени поглощение ртутью воздуха с образованием красного оксида ртути HgO прекратилось, а объем воздуха в колоколе сократился более, чем на одну шестую часть. Оставшийся в колоколе газ гасил горящую свечу, мышь не могла в нем жить. Лавуазье назвал его азотом, т.е. непригодным для жизни. При прокаливании оксида ртути он вновь получил ртуть и газ, поглощенный ею из воздуха. В этом газе свеча горела с ослепительным блеском, а мышь чувствовала себя превосходно. Лавуазье назвал его «воздухом, пригодным для дыхания», а в 1777 – кислородом.

В 19 в. в воздухе нашли диоксид углерода, благородные газы (аргон, гелий, неон, криптон и ксенон), следовые количества метана, сернистого газа, монооксида углерода, озона, водорода, аммиака и других соединений азота.

Содержание кислорода и азота в воздухе определили французские химики Жан Батист Андре Дюма и Жан Батист Буссенго (1802–1887) в 1841. Они пропускали воздух, очищенный от паров воды и диоксида углерода над раскаленной медью. Увеличение массы меди соответствовало содержанию кислорода, а непрореагировавший азот взвешивался непосредственно.

Составляющие воздух газы можно разделить не только химическими, но и физическими методами. Для этого используют испарение жидкого воздуха. Первые холодильные машины для сжижения воздуха, работа которых была основана на принципе Джоуля – Томсона, были построены в 1890-х. Их главные части – два (или более) змеевика, расположенные один в другом (рис. 2) По внутреннему узкому змеевику подается воздух под давлением в 200 атм, резко расширяющийся в нижней камере до давления в 20 атм. Этот охладившийся расширившийся воздух по наружному змеевику возвращается к компрессору и при этом охлаждает внутренний змеевик с находящимся в нем воздухом (под давлением 200 атм), который затем снова расширяется в той же камере, где охлаждается еще больше. Так продолжается до тех пор, пока воздух в камере не начнет сжижаться. Возможность отделения кислорода от кислорода основана на том, что жидкий азот кипит при более низкой температуре (–195,8° С), чем кислород (–183,0° С), поэтому он испаряется первым. Затем из жидкого воздуха улетучивается аргон (т. кип. –185,9° С). Этим методом из воздуха можно выделить и другие газы. В 1896–1897 английский химик и физик Уильям Рамзай (1852–1916) при дробной перегонке сжиженного аргона получил еще четыре благородных газа. В 1923 английский физик и химик Фрэнсис Уильям Астон  (Нобелевская премия по химии, 1922) испарил 400 тонн жидкого воздуха, но никаких других газов, кроме открытых ранее, в нем не нашел.

Основными компонентами воздуха в нижней атмосфере являются азот N2, кислород O2 и аргон Ar.

Состав воздуха:

Кроме Газов, указанных в таблице, атмосферный воздух содержит пары воды (0,002–4% по массе), а в приземном воздухе всегда есть большое количество взвешенных твердых и жидких частиц, образующих аэрозоли.

Современный состав воздуха сформировался в результате длительных эволюционных процессов в недрах Земли и на ее поверхности. Огромную роль в этом сыграла деятельность зеленых растений, животных и микроорганизмов.

Предполагают, что большое количество азота в воздухе появилось в результате окисления первичной аммиачно-водородной атмосферы Земли молекулярным кислородом, который сначала образовывался в результате диссоциации воды, а затем стал накапливаться у поверхности Земли в результате фотосинтеза (рис. 3).

Источниками благородных газов являются вулканические извержения и распад радиоактивных элементов. Аргон образуется в результате распада калия-40. Радон появляется при распаде радия, а гелий, ядра которого представляют собой альфа-частицы, является одним из продуктов многих стадий цепочек радиоактивных превращений, начинающихся от урана и тория.

Диоксид углерода попадает в атмосферный воздух во время извержений вулканов, при разложении карбонатных горных пород и органических веществ, а также в результате производственной деятельности человека. В последние десятилетия наблюдается неуклонный, хотя и небольшой рост содержания диоксида углерода в атмосферном воздухе.

Многочисленные газообразные вещества, находящиеся в воздухе в следовых количествах, образуются в результате вулканической деятельности, выделяются растениями и бактериями.

Развитие энергетики и промышленности оказывает все большее влияние на состав воздуха, особенно это заметно вблизи крупных предприятий и в больших городах. Больше всего загрязняющих газов (оксиды углерода, азота, серы) и аэрозолей образуется при сжигании топлива.

Плотность и давление атмосферного воздуха непрерывно меняются при увеличении расстояния от поверхности планеты. Воздушную оболочку Земли делят на тропосферу, стратосферу, мезосферу, ионосферу и экзосферу. Границы между ними называют соответственно тропопаузой, стратопаузой и т.д. (рис. 4).

До высоты 100 км состав воздуха почти не изменяется в результате интенсивного перемешивания. Состав воздуха в стратосфере и мезосфере почти такой же, как в тропосфере. Главное отличие – повышенное содержание озона, который образуется в результате фотохимических реакций на высоте около 30 км. В стратосфере и более высоких слоях молекулы газов диссоциируют на атомы. На высоте 80 км полностью распадаются на атомы диоксид углерода и водород, выше 150 км – кислород, выше 300 км – азот. На расстоянии 100–400 км от поверхности Земли в ионосфере газ ионизуется: образуются ионы O2–, O2+, N2+. В верхних слоях атмосферы присутствуют свободные радикалы ОН*, НО2* и другие. Выше 120 км воздух перемешивается так слабо, что существенным становится распределение химических частиц под действием гравитации. Поэтому ближе к Земле преобладают молекулярные и атомарные кислород и азот, а выше – водород и гелий, которые вследствие малого атомного веса, медленно рассеиваются в космическое пространство.

Физические свойства воздуха: