§ 27. Воздух и его состав

Определения и обозначения

Воздух — смесь газов, окружающая Землю. Смесью его называют потому, что в нём присутствуют разные вещества, а не одно чистое вещество. Каждый газ сохраняет свои свойства, и между ними нет обязательного постоянного соотношения, как в химическом соединении. Это определение помогает отличать воздух от веществ с неизменным составом.

Объёмная доля газа — отношение объёма этого газа к общему объёму смеси. Её можно записать как отношение V(газа) / V(смеси) или выразить в процентах, умножив отношение на 100%. Например, доля 0,21 соответствует 21%. Это понятие нужно, чтобы описывать состав газовой смеси и находить объём её части.

Кислород — газ, на который приходится примерно одна пятая объёма сухого воздуха. Он необходим для дыхания многих организмов и поддерживает горение. Слова «поддерживает горение» не означают, что кислород сам является топливом. Понятие важно для объяснения дыхания и процессов сгорания.

Азот — газ, составляющий основную часть воздуха. При обычных условиях он малоактивен, то есть вступает в реакции не так легко, как кислород. На азот приходится примерно 78% объёма сухого воздуха. Знание его доли помогает понять, почему кислород, несмотря на важную роль, не является самым распространённым газом в атмосфере.

Как это устроено

Воздух считают смесью, потому что он образован несколькими газами, которые просто находятся вместе. Между молекулами азота, кислорода и других газов не возникает химической связи, превращающей их в одно вещество. Поэтому соотношение компонентов может изменяться, а каждый из них сохраняет характерные свойства. Например, именно кислород в воздухе поддерживает горение, а не некое новое вещество «воздух».

Главные компоненты сухого воздуха — азот и кислород: приблизительно 78% и 21% соответственно. Оставшаяся небольшая часть включает аргон, углекислый газ и другие газы. Эти доли указывают объёмный состав: при одинаковых условиях объём каждого газа сравнивают с общим объёмом воздуха. Так становится понятно, почему азота больше, хотя кислород особенно важен для дыхания и горения.

Состав сухого воздуха у поверхности Земли обычно близок к постоянному. Причина в том, что движения атмосферы перемешивают газы и не дают им надолго разделиться на отдельные слои в обычных условиях. Поэтому доли основных газов в разных местах в целом сходны. При этом речь идёт именно о сухом воздухе, без учёта водяного пара.

Реальный воздух может иметь разный состав, потому что в нём есть водяной пар и примеси. Количество пара меняется с влажностью, погодой и местом: например, вблизи водоёмов воздух может быть влажнее. Примеси появляются из природных источников и в результате деятельности человека, а их количество зависит от условий. Поэтому состав сухого воздуха удобен для сравнения, но не описывает все особенности воздуха вокруг нас.

Кислород химически активнее азота при обычных условиях и способен участвовать в реакциях окисления. При горении он вступает в реакцию с горючим веществом и помогает ей продолжаться, но сам не является горючим материалом. Азот обычно не поддерживает горение, поэтому он разбавляет кислород в воздухе. Из-за этого воздух способен поддерживать горение, но сам по себе не горит.

Основные компоненты воздуха

Таблица показывает приблизительные доли в сухом воздухе, поэтому её числа не следует считать точными для любого места и момента. Для расчётов сначала выберите нужный компонент и его долю, а затем умножьте эту долю на общий объём смеси. Помните, что водяной пар и примеси могут менять состав реального воздуха.

Разбор задач

Задача 1. Нужно определить, является ли воздух чистым веществом или смесью, и привести два основания. Сначала проверим, из одного ли компонента он состоит. Затем выясним, связаны ли газы химически в постоянном соотношении.

1. Воздух содержит азот, кислород и другие газы, то есть в нём больше одного компонента.
2. Эти газы не соединены химически в одно вещество и сохраняют свои свойства.
3. Постоянного соотношения компонентов, характерного для химического соединения, у воздуха нет.

Ответ. Воздух — смесь. Основания: он состоит из нескольких газов, а их свойства сохраняются и соотношение не является постоянным. Именно поэтому воздух нельзя считать чистым веществом или химическим соединением.

Задача 2. Найдём объём кислорода в 10 л сухого воздуха, если его доля равна 21%. Объёмная доля показывает, какая часть общего объёма приходится на кислород. Перед умножением процент нужно записать десятичной дробью.

1. Переведём проценты в дробь: 21% = 21 / 100 = 0,21.
2. Используем зависимость V(газа) = φ × V(смеси).
3. Подставим числа: V(O₂) = 0,21 × 10 л = 2,1 л.

Ответ. В 10 л сухого воздуха содержится примерно 2,1 л кислорода. Результат приблизительный, потому что и доля кислорода задана как примерная. Важно умножать общий объём именно на долю, а не прибавлять 21 к 10.

Задача 3. В сосуде находится 50 л сухого воздуха. Оценим объёмы азота и кислорода, если их доли равны 78% и 21%, а затем объясним, почему найденные объёмы не обязаны дать 50 л. Сначала рассчитаем каждый газ отдельно, используя одну и ту же формулу.

1. Для азота: 78% = 0,78, поэтому V(N₂) = 0,78 × 50 л = 39 л.
2. Для кислорода: 21% = 0,21, поэтому V(O₂) = 0,21 × 50 л = 10,5 л.
3. Сложим найденные объёмы: 39 л + 10,5 л = 49,5 л.
4. Оставшиеся 0,5 л приходятся на аргон, углекислый газ и другие компоненты.

Ответ. Азота примерно 39 л, кислорода — 10,5 л. Их сумма равна 49,5 л, а не 50 л, потому что около 1% объёма занимают другие газы. Доли округлены, поэтому итог также является оценкой.

Типичные ошибки

Ошибка — называть воздух химическим соединением. Её допускают, потому что воздух выглядит однородным и окружает нас повсюду, но однородность не означает, что он состоит из одного вещества. Проверьте себя: у воздуха есть несколько газовых компонентов, а их соотношение не закреплено химической формулой. Значит, правильный ответ — смесь.

Ошибка — считать кислород главным по количеству компонентом воздуха. Такое впечатление может возникнуть из-за его роли в дыхании и горении. Чтобы проверить себя, сравните доли: кислорода около 21%, а азота около 78%. Следовательно, по объёму преобладает азот.

Ошибка — полагать, что состав воздуха везде совершенно одинаков. Для сухого воздуха доли основных газов близки, но в настоящем воздухе количество водяного пара и примесей меняется. Вспомните, что влажность зависит от погоды и места, а загрязнённость — от условий вокруг. Поэтому уточняйте, идёт ли речь о сухом воздухе или о реальном воздухе с примесями.

Ошибка — путать объёмную долю с объёмом газа. Долю записывают отношением или процентом, а объём измеряют, например, в литрах. Перед расчётом переведите проценты в десятичную дробь и умножьте её на общий объём смеси. Если в ответе на вопрос «сколько литров?» получилось только 21%, значит, вы указали долю, а не объём.

Связь с другими темами

Для понимания состава воздуха нужны знания о чистых веществах и смесях. Умение отличать их помогает объяснить, почему воздух не является химическим соединением. Сравнивайте состав и свойства компонентов, а не только внешний вид вещества.

Объёмная доля используется при описании и расчётах состава газовых смесей. Она связывает долю компонента с общим объёмом воздуха и позволяет находить объём газа. Такой способ рассуждения пригодится и при решении других задач на смеси.

Состав воздуха помогает изучать свойства кислорода, дыхание и горение. Понимание роли газов важно и для темы охраны окружающей среды: примеси могут появляться в результате деятельности человека. Так химические знания связывают состав атмосферы с природными процессами и условиями жизни.

Что запомнить

• Воздух — смесь газов.
• Основная часть сухого воздуха — азот, около 78%.
• Кислород составляет около 21% объёма сухого воздуха.
• Аргон, углекислый газ и другие компоненты присутствуют в меньших количествах.
• Доля водяного пара и примесей в воздухе изменяется.
• Кислород поддерживает горение, но воздух сам по себе не является горючим веществом.