§ 18. Воздух

Определения и обозначения

Воздух — смесь газов, окружающая Землю. Это не одно чистое вещество: в нём одновременно присутствуют азот, кислород и другие газы. Их соотношение может немного меняться, поэтому состав воздуха не всегда одинаков. Понятие воздуха нужно, чтобы описывать газовую оболочку Земли и процессы, которые в ней происходят.

Объёмная доля газа — отношение объёма этого газа к общему объёму смеси. Её обычно выражают в процентах: объём газа делят на объём смеси и умножают на 100%. Например, доля кислорода около 21% означает, что в каждых 100 л сухого воздуха примерно 21 л кислорода. Эта величина помогает сравнивать состав смесей и находить объём отдельного компонента.

Азот — основной компонент воздуха, его доля в сухом воздухе составляет около 78%. При обычных условиях азот сравнительно малоактивен: он не вступает быстро в реакции со многими веществами. Поэтому его присутствие разбавляет кислород и влияет на свойства воздуха. Знание роли азота помогает понять, почему воздух не действует как чистый кислород.

Кислород — компонент воздуха, необходимый для дыхания и поддерживающий горение. Он вступает в реакции с веществами, в том числе с теми, из которых организм получает энергию. Сам кислород при этом не является топливом и не горит. Это различие важно при объяснении дыхания и процессов горения.

Как это устроено

Воздух считают смесью, потому что его газы не превращаются при смешивании в одно новое вещество. Азот и кислород сохраняют характерные для них свойства, а при необходимости компоненты можно разделить физическими способами. У химического соединения состав постоянен, тогда как состав воздуха может изменяться. Например, в него попадает разное количество водяного пара, а рядом с источником горения меняются доли кислорода и углекислого газа.

Состав сухого воздуха указывают без водяного пара: примерно 78% приходится на азот, около 21% — на кислород. Оставшийся примерно 1% образуют главным образом аргон, углекислый газ и другие газы. Проценты относятся к объёмам газов, а не к их массам. При сложении долей компонентов сухого воздуха получают примерно 100%, поскольку значения округлены.

Водяной пар попадает в воздух при испарении воды с поверхности водоёмов, почвы и растений. Его количество зависит от влажности и температуры: тёплый воздух может содержать больше водяного пара, чем холодный. Поэтому доля пара меняется от места к месту и со временем. Именно из-за этой изменчивости для сравнения постоянных компонентов обычно приводят состав сухого воздуха.

Разные газы проявляют себя по-разному. Азот при обычных условиях сравнительно малоактивен, кислород поддерживает горение, а углекислый газ горение не поддерживает. Поэтому углекислый газ используют, например, в огнетушителях: он помогает прекратить доступ кислорода к горящему веществу. Однако поведение смеси не сводится к свойству одного газа — воздух содержит сразу несколько компонентов.

При дыхании организм поглощает кислород и выделяет углекислый газ, а при горении кислород расходуется и образуются новые вещества, в том числе углекислый газ. Фотосинтез действует иначе: растения используют углекислый газ и выделяют кислород. Эти процессы меняют состав воздуха, но в природе они взаимосвязаны и частично уравновешивают друг друга. Поэтому содержание газов зависит как от природных процессов, так и от деятельности человека.

Основные компоненты воздуха и их роль

Таблица показывает приблизительный состав: доли округлены, а содержание водяного пара не постоянно. Сухой воздух — это воздух, из которого условно исключили водяной пар, поэтому его доли удобно сравнивать между собой. Чтобы найти объём компонента, умножьте объём сухого воздуха на его процентную долю, записанную десятичной дробью.

Разбор задач

Задача 1. В каком из двух случаев речь идёт о смеси: воздух или углекислый газ? Нужно определить, состоит ли каждый пример из нескольких веществ или представляет собой одно химическое вещество. Сравним их состав и учтём, что воздух содержит разные газы, а углекислый газ имеет собственную химическую формулу CO₂.

1. Вспомним, что смесь образована несколькими веществами, которые сохраняют свои свойства.
2. Воздух включает азот, кислород, аргон, углекислый газ и другие компоненты.
3. Углекислый газ — химическое соединение с постоянным составом, а не смесь перечисленных газов.

Ответ: воздух — смесь, углекислый газ — чистое химическое вещество. Сравнивать их следует по составу, а не по тому, что оба примера находятся в газообразном состоянии. Газообразными могут быть и смеси, и чистые вещества.

Задача 2. Какой объём кислорода содержится в 10 л сухого воздуха, если его объёмная доля равна примерно 21%? Объёмная доля показывает, какую часть от общего объёма занимает газ. Поэтому нужно найти 21% от 10 л, а не прибавлять 21 к объёму воздуха.

1. Переведём проценты в десятичную дробь: 21% = 21 / 100 = 0,21.
2. Умножим общий объём на долю кислорода: 10 л × 0,21 = 2,1 л.
3. Проверим порядок величины: кислород составляет примерно пятую часть воздуха, а пятая часть от 10 л близка к 2 л.

Ответ: в 10 л сухого воздуха содержится примерно 2,1 л кислорода. Результат приблизительный, потому что доля кислорода дана приблизительно. Такой расчёт применим к объёмам газов при одинаковых условиях.

Задача 3. В сосуде находится 50 л сухого воздуха. Найдём объёмы азота и кислорода при долях 78% и 21%, а затем объём остальных газов. Сначала вычислим каждый известный компонент отдельно, после чего проверим, какая часть смеси остаётся.

1. Переведём доли в десятичные дроби: 78% = 0,78, 21% = 0,21.
2. Найдём азот: 50 л × 0,78 = 39 л; кислород: 50 л × 0,21 = 10,5 л.
3. Сложим доли азота и кислорода: 78% + 21% = 99%; на остальные газы приходится 100% − 99% = 1%.
4. Найдём оставшийся объём: 50 л × 0,01 = 0,5 л. Проверим: 39 л + 10,5 л + 0,5 л = 50 л.

Ответ: азота примерно 39 л, кислорода — 10,5 л, остальных газов — около 0,5 л. Доли в условии округлены, поэтому ответ тоже является примерным. Если сумма долей отличается от 100% на небольшую величину, это обычно объясняется округлением данных.

Типичные ошибки

Ошибка: считать воздух химическим соединением. Так думают, потому что воздух выглядит однородным, но однородность не означает постоянный химический состав. Проверьте себя: если соотношение компонентов может измениться, перед вами смесь. Для воздуха это верно, в том числе из-за переменного количества водяного пара.

Ошибка: принимать объёмную долю кислорода за массовую. Проценты могут описывать разные характеристики: объём газа или его массу. Объёмная доля около 21% не означает, что кислород составляет 21% массы воздуха. Проверяйте, какая именно величина указана в условии, и не заменяйте её другой.

Ошибка: думать, что воздух состоит только из азота и кислорода. Эти два газа действительно составляют почти весь сухой воздух, поэтому меньшие компоненты легко забыть. Проверьте себя по таблице: в воздухе есть также аргон, углекислый газ и другие газы, а в обычном воздухе — ещё и водяной пар. При этом доли в округлённых данных могут не дать ровно 100%.

Ошибка: утверждать, что кислород сам горит. Его часто связывают с пламенем, потому что без кислорода многие вещества не горят. Но кислород поддерживает горение, а топливом служит другое вещество; кислород сам по себе не является топливом. Проверить рассуждение можно вопросом: что именно окисляется и расходуется как горючее?

Связь с другими темами

Для изучения состава воздуха нужно различать чистые вещества и смеси, а также уметь находить процент от числа. Эти навыки помогают вычислять объёмы газов и объяснять, почему свойства воздуха зависят от его компонентов. Тема продолжится при изучении горения и окислительных реакций, где кислород участвует в превращениях веществ. Она также связана с дыханием и охраной окружающей среды: природные процессы и деятельность человека влияют на состав воздуха.

Что запомнить

• Воздух — смесь газов.
• В сухом воздухе около 78% азота и 21% кислорода по объёму.
• Остальную часть сухого воздуха составляют главным образом аргон, углекислый газ и другие газы.
• Содержание водяного пара в воздухе непостоянно.
• Кислород поддерживает горение, но сам не является топливом.
• Объёмную долю компонента выражают в процентах от общего объёма смеси.