§ 18. Воздух

Определения и обозначения

Воздух — природная смесь газов, окружающая Землю. Это не одно чистое вещество, а сочетание нескольких газообразных компонентов. Состав воздуха нужен для объяснения дыхания, горения и свойств атмосферы, причём в разных условиях он может немного изменяться.

Объёмная доля газа — отношение объёма данного газа к общему объёму газовой смеси: φ = V(газа) / V(смеси). Если результат нужно выразить в процентах, это отношение умножают на 100%: φ = V(газа) / V(смеси) · 100%. Такая величина помогает узнать, какую часть воздуха занимает выбранный компонент.

Постоянные составляющие воздуха — газы, объёмные доли которых в сухом воздухе меняются очень мало. К ним относят прежде всего азот и кислород. Их доли используют как приблизительную основу для расчётов состава воздуха.

Переменные составляющие воздуха — вещества, содержание которых заметно зависит от места и условий. Примеры таких компонентов — водяной пар и углекислый газ. Их количество меняется из-за влажности, погоды, природных процессов и деятельности человека.

Как это устроено

Воздух является смесью, потому что его газы не образуют одно соединение с постоянным составом. В смеси каждый компонент сохраняет свои основные свойства, поэтому кислород продолжает поддерживать горение, а азот остаётся малоактивным. Разделить такие компоненты можно физическими способами, например используя различия температур кипения сжиженных газов.

Основную часть сухого воздуха составляют азот и кислород: около 78% и 21% по объёму. На остальные газы приходится примерно 1%, поэтому их содержание обычно выражают малыми долями. Такое соотношение возникает потому, что обмен газами между атмосферой, почвой, водой и живыми организмами в целом поддерживает относительно устойчивый состав.

Долю кислорода можно определить по уменьшению объёма воздуха в опыте. Если кислород вступает в реакцию и превращается в твёрдое или жидкое вещество, он исчезает из газовой смеси, а остальные газы остаются. Поэтому разность между начальным и конечным объёмами показывает объём израсходованного кислорода, если условия опыта позволяют пренебречь другими изменениями.

Азот занимает большую часть воздуха, но при обычной температуре и давлении реагирует сравнительно слабо. Кислород, напротив, легко участвует в реакциях окисления, поэтому он необходим для дыхания и поддерживает горение. Однако кислород не горит сам: он помогает гореть другим веществам, вступая с ними в реакцию.

Углекислый газ, водяной пар и различные примеси присутствуют в небольших количествах, но влияют на свойства воздуха. Влажность меняется при испарении и конденсации воды, а содержание углекислого газа связано с дыханием, горением, фотосинтезом и промышленными выбросами. Поэтому состав реального воздуха не абсолютно одинаков во всех местах и в любое время.

Основные составляющие воздуха

Таблицу удобно использовать, чтобы быстро сравнить компоненты по количеству и роли. Проценты относятся к объёму сухого воздуха, поэтому водяной пар не имеет постоянной доли в этой оценке. Для расчёта объёма газа нужно умножить общий объём смеси на его долю, записанную десятичной дробью.

Разбор задач

Задача 1. В пробе сухого воздуха объёмом 100 л содержится примерно 21% кислорода. Найдём объём кислорода. Нужно перевести проценты в десятичную дробь и применить формулу объёмной доли.

1. Записываем 21% в виде дроби: 21% = 0,21.
2. Умножаем общий объём на долю кислорода: V(O₂) = 100 л · 0,21 = 21 л.
3. Проверяем результат: 21 л меньше 100 л, значит, он соответствует части исходной смеси.

Ответ: объём кислорода равен примерно 21 л.

Задача 2. Определим объём азота в 250 л сухого воздуха, если его доля равна 78%. Процент показывает, какая часть всего объёма приходится на азот, поэтому используем тот же способ.

1. Переводим долю: 78% = 0,78.
2. Находим объём азота: V(N₂) = 250 л · 0,78 = 195 л.
3. Сравниваем с исходным объёмом: 195 л меньше 250 л, следовательно, вычисление имеет смысл.

Ответ: в пробе содержится примерно 195 л азота.

Задача 3. После связывания кислорода объём воздуха уменьшился с 80 мл до 63 мл. Уменьшение считаем объёмом израсходованного кислорода, потому что он перестал быть газом, а остальные компоненты остались в смеси. Затем сравним полученную долю с обычным значением для сухого воздуха.

1. Находим уменьшение объёма: ΔV = 80 мл − 63 мл = 17 мл.
2. Делим объём кислорода на исходный объём: φ = 17 мл / 80 мл = 0,2125.
3. Переводим в проценты: 0,2125 · 100% = 21,25%.

Ответ: объёмная доля кислорода равна 21,25%, что близко к обычной оценке 21%.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Воздух называют химическим соединением, потому что он кажется однородным. Но его компоненты не связаны постоянным составом и могут быть разделены физически. Проверка простая: спросите себя, сохраняют ли газы свои свойства после разделения.

Ошибка 2. Иногда считают, что кислорода всегда ровно 21%. Это значение приблизительно и относится главным образом к сухому воздуху, а влажность и условия могут менять доли компонентов. Проверяйте, указано ли в задаче, что воздух сухой и состав принимается стандартным.

Ошибка 3. Объёмную долю путают с массой газа. Проценты состава воздуха в таких расчётах показывают долю объёма, поэтому используют объёмы, а не граммы. Определить нужную величину можно по обозначению: V относится к объёму, m — к массе.

Ошибка 4. Утверждают, что кислород горит, потому что рядом с ним вещества горят ярче. На самом деле кислород поддерживает горение, вступая в реакцию с горючим веществом, но сам не является горючим. Для проверки вспомните, что пламя появляется у горючего вещества, а не у чистого кислорода.

Связь с другими темами

Для изучения воздуха нужно понимать различие между смесью и чистым веществом, а также уметь находить долю компонента в процентах. Эти навыки позволяют читать состав газовых смесей и выполнять расчёты по их объёмам.

Состав воздуха связан с дальнейшим изучением кислорода, горения и дыхания. Он также помогает понять причины загрязнения атмосферы и способы защиты окружающей среды, поскольку содержание некоторых компонентов меняется под влиянием деятельности человека.

Что запомнить

• Воздух — смесь газов, а не чистое вещество.
• В сухом воздухе примерно 78% азота и 21% кислорода по объёму.
• Азот и кислород — главные составляющие воздуха.
• Кислород поддерживает горение, но сам не горит.
• Содержание водяного пара и некоторых других компонентов воздуха меняется.
• Объёмную долю компонента находят как отношение его объёма к объёму всей смеси.