Воздух

Определения и обозначения

Воздух — смесь газов, окружающая Землю и заполняющая свободное пространство. Смесью называют соединение нескольких веществ, которые сохраняют свои свойства и не образуют заметных отдельных слоёв. Поэтому воздух нельзя считать одним веществом, даже если его составные части неразличимы глазом. Это понятие помогает понять, почему воздух может участвовать в разных природных процессах.

Состав воздуха — набор газов, входящих в воздух, и их примерные доли. Доли показывают, сколько каждого газа приходится на весь объём сухого воздуха. Они нужны, чтобы сравнивать количество газов и понимать, какой из них преобладает. Примерные значения не означают, что состав всегда совершенно одинаков: например, количество водяного пара меняется.

Кислород — газ, необходимый для дыхания большинства живых организмов и поддерживающий горение. Во время дыхания организм использует кислород для получения энергии из питательных веществ. При горении кислород помогает веществам соединяться с ним и выделять тепло и свет. Знание роли кислорода объясняет, почему без доступа воздуха пламя гаснет.

Углекислый газ — газ, который выделяется при дыхании и горении и используется растениями при фотосинтезе. Фотосинтез — процесс, при котором растения на свету создают питательные вещества из воды и углекислого газа. При этом они выделяют кислород. Это определение помогает связать состав воздуха с жизнью растений и животных.

Как это устроено

Воздух считают смесью газов, потому что в нём одновременно присутствуют разные вещества: азот, кислород, углекислый газ и другие газы. Их частицы перемешаны и свободно движутся, поэтому газы не собираются в отдельные видимые слои. Смесь при этом сохраняет свойства своих составляющих: кислород, например, участвует в дыхании и горении. Именно поэтому воздух может быть прозрачным, но всё равно состоять из нескольких веществ.

Основную долю воздуха образуют азот и кислород: на азот приходится примерно 78%, а на кислород — около 21%. Углекислого газа гораздо меньше — примерно 0,04% сухого воздуха; оставшуюся малую долю составляют другие газы, например аргон. Водяной пар тоже есть в воздухе, но его количество зависит от условий и поэтому не входит в постоянную долю сухого воздуха. Различие в долях важно: большое значение газа для живых организмов не означает, что его в воздухе больше всего.

Воздух обычно невидим, потому что его основные составляющие прозрачны: они пропускают свет, а глаз не различает их частицы. У чистых азота и кислорода нет заметного запаха, поэтому обычный воздух мы также не ощущаем как пахнущий. Запах, который иногда связывают с воздухом, чаще создают примеси — например, дым или вещества от растений. Значит, невидимость и отсутствие запаха не доказывают, что воздуха вокруг нет.

Свойства воздуха можно обнаружить простыми опытами. Если опустить в воду перевёрнутый стакан, вода не сразу заполнит его: находящийся внутри воздух занимает пространство и мешает воде войти. В закрытом шприце воздух удаётся сжать нажатием на поршень, потому что частицы газа можно приблизить друг к другу. При нагревании частицы движутся активнее, и газу требуется больше места, поэтому воздух расширяется.

Живые организмы изменяют состав воздуха благодаря дыханию и фотосинтезу. Люди и животные поглощают кислород, а при дыхании выделяют углекислый газ. Растения на свету используют углекислый газ для фотосинтеза и выделяют кислород, поэтому эти процессы частично связаны друг с другом. Однако растения тоже дышат: фотосинтез происходит только при достаточном освещении, и его не следует считать единственным процессом в жизни растения.

Основные газы в составе воздуха

Сравнивай доли, чтобы увидеть, какой газ преобладает: азота намного больше, чем кислорода. Значения относятся к сухому воздуху, поэтому водяной пар в таблице отдельно не указан. Столбец о значении помогает отличать количество газа от его роли в природе.

Разбор задач

Определяем, занимает ли воздух место

Условие. Нужно опустить перевёрнутый пустой стакан в воду и объяснить, почему вода не сразу заполняет его. На вид стакан пуст, но это не означает, что внутри нет вещества. Проверим, что мешает воде занять всё пространство.

1. Переверни стакан отверстием вниз и опускай его в воду ровно, не наклоняя. Обрати внимание, что вода не сразу доходит до дна стакана. Значит, внутри остаётся что-то, занимающее пространство.
2. Наклони стакан под водой, чтобы воздуху было куда выйти. Из стакана начнут подниматься пузырьки, а вода войдёт внутрь на освободившееся место. Пузырьки показывают, что из стакана выходит именно воздух.
3. Сопоставь наблюдения: пока воздух заперт, он мешает воде заполнить стакан. Когда воздух выходит, вода занимает его место. Так опыт показывает, что невидимый воздух занимает пространство.

Ответ. Вода не сразу заполняет перевёрнутый стакан, потому что внутри находится воздух. После выхода воздуха вода входит в освободившееся пространство.

Сравниваем воздух в закрытом шприце

Условие. Нужно сравнить объём воздуха в закрытом шприце при нажатии на поршень и после его отпускания. Отверстие шприца должно быть закрыто, иначе воздух просто выйдет наружу. Наблюдаем, как меняется положение поршня.

1. Набери немного воздуха в шприц и плотно закрой его отверстие пальцем. Нажми на поршень, не отпуская отверстие. Воздух внутри не может выйти, поэтому поршень сдвигается и объём воздуха уменьшается.
2. Удерживая поршень, почувствуй сопротивление. Оно появляется потому, что сжатый газ стремится занять больший объём. Это показывает, что воздух можно сжимать, но сжатие требует усилия.
3. Ослабь нажатие, продолжая закрывать отверстие. Поршень стремится вернуться назад, потому что воздух расширяется, когда давление на него уменьшается. Сравни положения поршня до нажатия, во время него и после отпускания.

Ответ. При нажатии объём воздуха в закрытом шприце уменьшается, а после снятия давления он стремится увеличиться. Опыт показывает сжимаемость воздуха и его стремление расширяться.

Объясняем, почему гаснет свеча

Условие. Горящую свечу накрывают закрытой банкой, и через некоторое время пламя гаснет. Нужно связать это наблюдение с составом воздуха. Для безопасного опыта свечу зажигает взрослый, а банку не трогают, пока она не остыла.

1. Вспомни, что в воздухе есть кислород, необходимый для горения. Пока свеча горит, она расходует кислород вокруг себя. Под банкой новый воздух почти не поступает.
2. Под закрытой банкой запас кислорода ограничен. По мере горения его становится недостаточно для поддержания пламени, поэтому свеча гаснет. Это не означает, что кислород составляет весь воздух: он лишь один из газов смеси.
3. Свяжи результат опыта с условием горения: пламени нужен доступный кислород. Когда его количество в замкнутом пространстве уменьшается, горение прекращается. Поэтому проветривание может поддерживать горение, а закрытая банка — нет.

Ответ. Свеча гаснет, потому что под закрытой банкой ограничено количество кислорода, необходимого для горения. Когда его становится недостаточно, пламя прекращается.

Типичные ошибки

Ошибка: считать воздух одним газом. Так думают, потому что отдельные составляющие воздуха обычно нельзя различить глазом. Проверь себя: если вспомнить состав воздуха, в нём обнаружатся азот, кислород и другие газы, значит, это смесь.

Ошибка: утверждать, что кислорода в воздухе больше всего. Кислород особенно важен для дыхания и горения, поэтому его роль легко спутать с его долей. Проверь себя по примерным значениям: азота около 78%, кислорода около 21%.

Ошибка: думать, что воздух не занимает места, потому что его не видно. Прозрачность воздуха мешает заметить его, но не отменяет его присутствия. Проверь себя опытом с перевёрнутым стаканом: вода не входит внутрь, пока там находится воздух.

Ошибка: считать, что растения только поглощают углекислый газ. При рассказе о фотосинтезе легко забыть, что в результате растения выделяют кислород. Проверь себя: назови оба изменения состава воздуха при фотосинтезе — поглощение углекислого газа и выделение кислорода.

Связь с другими темами

Для понимания свойств воздуха нужно знать, что вещество может находиться в газообразном состоянии. Частицы газа движутся и занимают пространство, хотя сам газ часто невидим; поэтому наблюдения со стаканом и шприцем помогают проверить это на практике. Состав воздуха связывает тему с дыханием, горением и фотосинтезом: в этих процессах газы поглощаются или выделяются. Эти знания также нужны при изучении охраны природы, поскольку состав воздуха может меняться под влиянием природных процессов и деятельности человека.

Что запомнить

• Воздух — смесь газов.
• В воздухе больше всего азота.
• Кислород необходим для дыхания и горения.
• Воздух занимает место.
• Воздух можно сжать.
• При нагревании воздух расширяется.
• Растения при фотосинтезе поглощают углекислый газ и выделяют кислород.