§ 16. Воздух — смесь газов

Определения и обозначения

Воздух — смесь газов. Смесью называют соединение нескольких веществ, которые сохраняют свои свойства. Воздух невидим, но в нём одновременно находятся разные газы, поэтому его нельзя считать одним чистым веществом.

Кислород — газ, необходимый для дыхания и поддерживающий горение. Его обозначают словом или формулой O₂: молекула состоит из двух атомов кислорода. Знание о кислороде помогает понять, почему живые организмы дышат, а огонь без доступа воздуха гаснет.

Азот — основной газ воздуха, его примерно 78%. При обычных условиях азот не поддерживает горение. Он нужен для понимания состава воздуха: газа может быть больше всего, но это не значит, что именно он заметнее всего проявляет себя в опытах.

Углекислый газ — газ, который присутствует в воздухе в небольшом количестве. Он образуется при дыхании и некоторых процессах горения, а растения используют его при образовании питательных веществ. Этот газ помогает связать явления дыхания, горения и круговорота веществ в природе.

Как это устроено

Воздух окружает Землю и заполняет пространство вокруг предметов, хотя обычно его не видно. Это происходит потому, что газы состоят из очень мелких частиц, расстояния между которыми велики, а сами частицы прозрачны для света. Воздух можно обнаружить по движению листьев, надуванию шарика или сопротивлению при движении предмета.

Состав воздуха можно представить как смесь газов, в которой вещества распределены между собой. Больше всего в ней азота, потому что на него приходится около 78% объёма сухого воздуха; кислорода примерно 21%, а остальных газов гораздо меньше. Поэтому свойства воздуха зависят сразу от нескольких веществ, а не только от одного газа.

Кислород расходуется при дыхании и горении, потому что в этих процессах он вступает во взаимодействие с другими веществами. При дыхании организм получает энергию из питательных веществ, а при горении выделяются тепло и свет. Углекислый газ часто образуется как один из продуктов этих процессов, поэтому его становится больше там, где много людей, животных или горящего топлива.

Состав воздуха может меняться из-за появления водяного пара, пыли, дыма и других примесей. Вода испаряется с поверхности рек, почвы и растений, поэтому влажный воздух содержит больше водяного пара, чем сухой. В городе или рядом с дорогой к газам могут добавляться частицы пыли и продукты сгорания.

Опыты с горением показывают, что кислород составляет лишь часть воздуха. Если накрыть свечу банкой, запас воздуха внутри ограничен, и пламя постепенно израсходует кислород. Свеча гаснет не потому, что весь воздух исчез, а потому, что в оставшейся смеси кислорода становится недостаточно для горения.

Основные газы в составе воздуха

Таблица помогает сравнить не только названия газов, но и их доли в сухом воздухе. Чем больше процент, тем большую часть объёма занимает газ. Влажный воздух может иметь немного другой состав, потому что к этим газам добавляется водяной пар.

Разбор задач

Задача 1. В воздухе около 21% кислорода. Сколько кислорода содержится в 10 литрах воздуха? Нужно найти не весь объём, а только его часть, соответствующую кислороду.

1. Переведём 21% в десятичную дробь: 21% = 0,21.
2. Умножим общий объём воздуха на долю кислорода: 10 л · 0,21 = 2,1 л.
3. Проверим смысл результата: кислород занимает примерно пятую часть от 10 л, а пятая часть равна около 2 л.

Ответ: в 10 литрах воздуха содержится примерно 2,1 литра кислорода.

Задача 2. В сосуде находится 5 литров воздуха. Определите примерный объём азота, если его доля составляет около 78%. Здесь также требуется найти часть целого объёма, только доля азота значительно больше доли кислорода.

1. Запишем процент в виде десятичной дроби: 78% = 0,78.
2. Умножим объём воздуха на долю азота: 5 л · 0,78 = 3,9 л.
3. Сравним результат с исходным объёмом: 3,9 л меньше 5 л, но близко к нему, потому что азот составляет большую часть воздуха.

Ответ: в сосуде находится примерно 3,9 литра азота.

Задача 3. Свечу накрыли перевёрнутой банкой, и через некоторое время она погасла. Нужно объяснить, почему это произошло, и выяснить, доказывает ли опыт, что воздух состоит только из кислорода. Под банкой находится ограниченный объём воздуха, поэтому запас кислорода не бесконечен.

1. Пламя свечи поддерживается кислородом, который находится в воздухе под банкой.
2. Во время горения кислород расходуется, а его количество постепенно уменьшается.
3. Когда кислорода становится недостаточно, пламя гаснет; остальные газы не поддерживают горение.
4. Опыт не доказывает, что воздух состоит только из кислорода: наоборот, он показывает, что кислород занимает лишь часть воздуха.

Ответ: свеча гаснет из-за расходования кислорода. Воздух состоит не только из кислорода, а из смеси газов, среди которых больше всего азота.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать воздух чистым веществом. Так думают, потому что воздух выглядит однородным и невидимым. Проверить себя можно вопросом: содержит ли воздух разные газы и примеси; если да, это смесь.

Ошибка 2. Утверждать, что кислород составляет весь воздух. Кислород поддерживает горение, но его около 21%, а основная доля приходится на азот. Сравните результат опыта со свечой с составом воздуха: пламя гаснет, хотя воздух под банкой остаётся.

Ошибка 3. Путать азот и кислород по количеству. Кислорода много и он важен для дыхания, но азота в воздухе ещё больше. Проверка простая: запомните пары «азот — около 78%», «кислород — около 21%».

Ошибка 4. Считать состав воздуха совершенно одинаковым всегда. Доля водяного пара и примесей меняется в зависимости от погоды, места и других условий. Чтобы не ошибиться, различайте постоянную основу сухого воздуха и изменяющиеся добавки.

Связь с другими темами

До этой темы нужно знать, что вещества могут находиться в газообразном состоянии и занимать весь доступный объём. Понятие смеси пригодится при изучении природных смесей, способов разделения веществ, а также состава воды и почвы. Знания о кислороде и углекислом газе помогут понять дыхание, горение и обмен веществ в природе.

Что запомнить

• Воздух — смесь газов, а не одно чистое вещество.
• В воздухе больше всего азота.
• Кислород составляет примерно одну пятую часть сухого воздуха.
• Кислород нужен для дыхания и поддерживает горение.
• Углекислого газа в воздухе мало.
• В воздухе могут быть водяной пар и примеси.