Состав и свойства воздуха

Определения и обозначения

Воздух — смесь газов, окружающая Землю. Смесь отличается от отдельного вещества тем, что состоит из нескольких веществ, каждое из которых сохраняет свои свойства. Это помогает понять, почему воздух одновременно поддерживает дыхание, горение и другие процессы.

Атмосфера — газовая оболочка Земли. Воздух составляет её нижние слои, где живут организмы и происходят погодные явления. Атмосфера удерживает вокруг планеты нужные для жизни газы и частично защищает её от неблагоприятного воздействия космоса.

Кислород — газ, входящий в состав воздуха. Он необходим живым организмам для дыхания и поддерживает горение. Поэтому без достаточного количества кислорода человек не может нормально дышать, а огонь гаснет.

Углекислый газ — газ, содержащийся в воздухе в небольшом количестве. Растения поглощают его при фотосинтезе и с его помощью создают органические вещества. Хотя углекислого газа мало, он участвует в важном процессе жизни растений.

Как это устроено

Воздух называют смесью, потому что в нём одновременно находятся разные газы. Между их частицами не происходит образования одного нового вещества: азот, кислород и другие компоненты сохраняют собственные свойства. Поэтому из воздуха можно выделить отдельные газы, а его состав описывают долями каждого компонента.

В сухом воздухе около 78% занимает азот, около 21% — кислород, а примерно 1% приходится на аргон, углекислый газ и другие газы. Азота больше всего, но он не поддерживает горение так, как кислород. Большая доля кислорода объясняет, почему воздух пригоден для дыхания и почему в нём может гореть пламя.

Водяной пар не имеет постоянной доли, потому что вода непрерывно испаряется с поверхности морей, рек, почвы и растений. В тёплом воздухе обычно может содержаться больше пара, чем в холодном, а ветер и близость водоёмов тоже влияют на его количество. При охлаждении избыток пара превращается в капли или кристаллы, поэтому появляются туман, облака и осадки.

Свойства газов объясняют значение воздуха для живой природы. Кислород участвует в дыхании организмов и поддерживает горение, а углекислый газ поглощается растениями при фотосинтезе. Азот составляет основную часть воздуха и входит в круговорот веществ, хотя непосредственно дыхание человека он не поддерживает.

Воздух невидим и прозрачен, потому что его газы почти не поглощают видимый свет. Однако он состоит из частиц, поэтому имеет массу, занимает пространство и оказывает давление на поверхности. Газ можно сжать, уменьшив промежутки между частицами, а при нагревании частицы движутся быстрее и воздух расширяется; при охлаждении он сжимается.

Основные компоненты сухого воздуха

Сначала сравните доли в первых трёх строках: так можно увидеть, каких газов в сухом воздухе больше всего. Водяной пар указан отдельно, потому что его содержание непостоянно и в состав сухого воздуха его не включают. Углекислый газ входит в небольшую долю остальных газов, но выделен отдельно из-за его значения для растений.

Разбор задач

Задача 1. Два главных газа воздуха

Условие. Назовите два главных газа воздуха и укажите, какого из них больше. Нужно использовать данные о составе сухого воздуха, а не вспоминать только роль газов в дыхании.

1. Находим в составе воздуха азот и кислород: их доли равны примерно 78% и 21%.
2. Сравниваем числа: 78 больше 21.
3. Формулируем вывод, не путая «главный по количеству» и «важный для дыхания».

Ответ: два главных газа — азот и кислород; азота в воздухе больше.

Задача 2. Почему гаснет пламя

Условие. Пламя накрыли перевёрнутой банкой, внутри которой находится воздух. Нужно объяснить, почему огонь через некоторое время гаснет, хотя воздух не исчезает сразу.

1. Горение поддерживается кислородом, который входит в состав воздуха.
2. Под банкой объём воздуха ограничен, поэтому свежий воздух почти не поступает.
3. Пламя постепенно расходует доступный кислород, и его становится недостаточно для продолжения горения.

Ответ: пламя гаснет, потому что в замкнутом объёме постепенно уменьшается количество кислорода, необходимого для горения.

Задача 3. Нагревание и охлаждение воздуха

Условие. В двух одинаковых закрытых сосудах находится воздух: один сосуд охладили, другой нагрели. Нужно определить, как изменится воздух и объяснить причину.

1. При нагревании частицы воздуха движутся быстрее и в среднем удаляются друг от друга.
2. Поэтому нагретый воздух расширяется и стремится занять больший объём.
3. При охлаждении движение частиц замедляется, промежутки между ними уменьшаются, и воздух сжимается.

Ответ: в нагретом сосуде воздух расширяется, а в охлаждённом сжимается. Если сосуды жёсткие и закрытые, объём сосуда не меняется, поэтому особенно заметно изменяется давление воздуха внутри.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать воздух чистым веществом. Так думают, потому что воздух выглядит однородным, но его составляют разные газы; проверить себя можно, назвав азот, кислород и углекислый газ.

Ошибка 2. Путать доли азота и кислорода. Кислород особенно важен для дыхания, поэтому кажется главным, однако азота около 78%, а кислорода около 21%; всегда сверяйте не роль газа, а его процент.

Ошибка 3. Считать состав воздуха абсолютно постоянным. Доли основных газов почти устойчивы, но водяного пара и некоторых примесей бывает разное количество; вспомните о различиях между сухим, влажным и туманным воздухом.

Ошибка 4. Делать вывод, что невидимый воздух не имеет массы и не занимает места. Прозрачность означает лишь, что воздух пропускает свет; опущенный в воду перевёрнутый стакан показывает, что воздух мешает воде занять его пространство.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать, что вещества бывают газообразными, а смесь состоит из нескольких веществ. Это позволяет понять различие между воздухом и отдельным газом.

Состав воздуха связан с дыханием живых организмов, горением и круговоротом веществ в природе. Кислород нужен для дыхания и огня, а углекислый газ участвует в фотосинтезе растений.

Свойства газов пригодятся при изучении погоды, ветра и атмосферного давления. Нагревание и охлаждение воздуха помогают объяснить его движение и многие атмосферные явления.

Что запомнить

• Воздух — смесь газов.
• В сухом воздухе около 78% азота и 21% кислорода.
• Водяной пар и примеси делают состав воздуха переменным.
• Кислород необходим для дыхания и поддерживает горение.
• Воздух прозрачен, но имеет массу и занимает место.
• При нагревании воздух расширяется, а при охлаждении сжимается.