Воздух, его значение, свойства и химический состав?

Что такое воздух, его значение, свойства и химический состав?

Если кратко, то Воздух, это газовая смесь состоящая на 98-99% из азота и кислорода, образующая газовую оболочку вокруг планеты Земля, её ещё называют — Атмосфера Земли.

Масса воздуха всей атмосферы Земли составляет примерно 5.13х10¹⁵ тонн и оказывает давление на поверхность Земли на уровне моря равное в среднем около 1,0333 кг на 1 см².

Объём атмосферы Земли подсчитать достаточно сложно. Можно было бы умножить площадь поверхности Земли 5,1×10⁸ км² на её высоту. Но что считать высотой? Известно, что на больших высотах воздух практически отсутствует, а его плотность плавно уменьшается с набором высоты. Так, если на уровне моря плотность воздуха составляет 1,2250 кг/м³, то на высоте 10 км она составляет 0,4135 кг/м³, на высоте 100 км — 5,55⋅10⁻⁷кг/м³, а на высоте 1000 км — 3,56⋅10⁻¹⁵, но воздух присутствует и там. Если принять за высоту атмосферы высоту, на которой плотность воздуха уменьшается в 1000 раз  по отношению к его плотности на уровне моря (это примерно 50 км), то в этом случае объём атмосферы составляет около 2,5×10¹⁰ км³.

• Воздух, его роль и значение в жизни планеты
• Какой воздух необходим человеку для жизни?
• Химический состав воздуха
• Контроль чистоты атмосферного воздуха на территории городов
• Физические свойства воздуха
• Можно ли увидеть воздух?

Воздух, его роль и значение в жизни планеты:

Федеральный закон Российской Федерации № 96-ФЗ «Об охране атмосферного воздуха» от 04.05.1999, так определяет понятие атмосферного воздуха:

«Атмосферный воздух – жизненно важный компонент окружающей среды, представляющий собой естественную смесь газов атмосферы, находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений. Атмосферный воздух является жизненно важным компонентом окружающей среды, неотъемлемой частью среды обитания человека, растений и животных.»

Воздух окружающий планету Земля и образующий её атмосферу удерживается гравитационным полем Земли. Атмосфера Земли, как щит защищает жизнь всех живых существ на планете, создавая давление, благодаря которому вода удерживается на поверхности Земли в жидком состоянии, поглощая жёсткое ультрафиолетовое солнечное излучение смертельное для всего живого, удерживая тепло образуемое от нагревания поверхности земли солнечным светом (парниковый эффект) и сглаживая перепады между дневной и ночной температурой (суточное изменение температуры).

Воздух необходимая среда для жизни всех организмов на Земле. Жизнь человека также невозможна без воздуха. Для всех животных и человека главным жизненно важным компонентом воздуха является кислород. Благодаря кислороду воздух используется ими в процессе дыхания. Кислород усваивается лёгкими и через кровь поступает во все клетки организма, где используется во внутриклеточных процессах окисления. В результате внутриклеточных химических реакций выделяются энергия необходимая для жизни клеток (метаболизм, аэробы) и выделяется углекислый газ, который выводится через кровь и выбрасывается лёгкими обратно в атмосферу.

Процесс дыхания атмосферным воздухом чрезвычайно важен для всех живых существ. Известно, что без еды человек может прожить несколько недель, без воды он может продержаться несколько дней, но без воздуха – всего несколько минут (обычный человек не более 1 минуты, а тренированные ныряльщики – 5 минут). Так отсутствие дыхания и сердечного ритма в течение более 3-5 минут (клиническая смерть) запускают необратимые процессы разрушения клеток головного мозга.

Какой воздух необходим человеку для жизни?

Здоровый взрослый человек в спокойном состоянии при каждом вдохе пропускает через легкие около 0,5 л воздуха, совершая в минуту 15 — 16 вдохов, таким образом, за минуту через лёгкие проходит 8-9 л, за час – около 500 л, за сутки – 12 000 л или 12 кубометров воздуха. Такой объем воздуха весит около 14 кг. При этом выдыхаемый воздух имеет пониженное содержание кислорода и повышенное содержание продуктов жизнедеятельности. Для хорошего самочувствия человека ему необходим приток чистого свежего воздуха. Потребность человека находящегося в помещении в притоке свежего воздуха рассчитывается из расчёта:

• в состоянии покоя — 20 м³,
• при работе за компьютером — 40 м³,
• при физических нагрузках — 60 м³

чистого свежего воздуха в час.

Химический состав воздуха:

В 1754 году Джозеф Блэк в результате экспериментов доказал, что воздух – это смесь газов.

Состав воздуха в разных местностях может несколько отличаться, усреднённый его состав приведён в таблице:

Примечание:
* в пересчете на сухой воздух (без водяного пара).
** объёмное содержание водяного пара в воздухе находится в зависимости от температуры, давления и других условий и составляет примерно от 0,0001 % в холодных частях атмосферы до 5% в горячих и влажных воздушных слоях (в пересчете на сухой воздух).

В воздухе обычно в некоторых количествах содержатся взвешенные вещества (аэрозоли) — это пыль, пыльца растений, споры грибов, вулканический пепел. В крупных промышленных городах в воздухе может присутствовать вся таблица химических элементов в виде различных соединений. Наличие и состав разнообразных примесей в воздухе сильно зависит от места, погодных условий и времени года.

Азот – главный компонент воздуха, один из самых распространённых элементов на Земле. В воздухе представлен как двухатомный газ без цвета, запаха и вкуса. Азот химически инертен, тем не менее в естественных условиях он встречается и в виде различных соединений органических и неорганических.

Азот входит в состав различных соединений составляющих живые организмы, поэтому он жизненно необходим для существования растений и животных.

Азот в промышленных масштабах получают разделяя воздух на составляющие. Технология криогенного разложения газовой смеси уже более 100 лет применяется в промышленности для получения инертных газов. Более ¾ промышленного азота используется для синтеза аммиака.

Кислород – по содержанию в воздухе занимает второе место после азота. В воздухе его содержится около 21 % по объему и более 23 % по массе. Эти два газа составляют более 99% в составе атмосферного воздуха.

Кислород – это самый распространённый элемент в земной коре, на его долю приходится около 47 % от массы земной тверди. Вода в своём составе также содержат огромное количество кислорода – около 86 % (по массе).

Кислород – химически активный газ без цвета, запаха и вкуса. В атмосфере присутствует как простое вещество, его молекула состоит из двух атомов кислорода (O₂). Во время грозы и в под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения в атмосфере образуется озон (O₃) трёхатомная модификация кислорода – газ голубого цвета с резким характерным запахом. Озон накапливается в атмосфере Земли образуя Озоновый слой, благодаря которому космические излучения способные уничтожить всё живое на планете не достигают биосферы Земли.

Кислород присутствует во многих органических соединениях из которых состоят живых организмы. По массовой доле в живых клетках он составляет – около 65%.

Биологическая роль кислорода заключается в том, что большинство живых организмов усваивают его при дыхании и далее он используется при синтезе энергии.

Доля кислорода в составе атмосферы Земли постоянно пополняется за счёт фотосинтеза его растениями, зелеными водорослями и цианобактериями. Считается, что до 70% кислорода вырабатывают морские зеленые водоросли и цианобактерии.

Аргон и другие Инертные газы – инертные одноатомные газы без цвета, запаха и вкуса, содержание аргона в воздухе составляет около процента по объему и около 1,3% по массе, Неон, Гелий и Криптон содержатся в воздухе в пренебрежимо малых количествах. Все инертные газы не участвуют в химических реакциях, и в силу своей инертности не играют никакой роли в биологических процессах.

Углекислый газ (двуокись углерода или диоксид углерода) – бесцветный газ почти без запаха (при высокой концентрации имеет запах газированной воды) в 1,5 раза тяжелее воздуха. Углекислый газ способен растворяться в воде и образовывать в соединении с ней углекислоту. Концентрация углекислого газа в атмосфере непостоянна и зависит от местности, времени года и прочих условий.

Углекислый газ и является одним из находящихся в атмосфере парниковых газов (также метан и водяной пар), он прозрачен для ультрафиолетового излучения и видимой части солнечного света, которые попадают на Землю от нашего светила и нагревают её. Но он поглощает излучаемое в результате нагрева Землёй инфракрасное излучение, поэтому, как считается, принимает участие в процессе глобального потепления.

Считается, что непрерывный рост содержания этого газа в атмосфере происходит с начала индустриальной эпохи. Однако, парниковым эффектом обладает не только углекислый газ, и связывать глобальное потепление с одним лишь накоплением в атмосфере углекислого газа в результате жизнедеятельности человека видимо не совсем правильно. В значительно большей степени накопление углекислого газа в атмосфере связано с сокращением площадей лесов и зелёных насаждений, которые часто называют лёгкими планеты. А такие парниковые газы, как метан или водяной пар в огромных количествах производятся самой планетой – болотами и океанами, извержениями вулканов, разломами и движением тектонических плит.

Углекислый газ вырабатывается в результате метаболизма в тканях живых организмов, после чего он переносится венозной кровью от тканей в лёгкие и выбрасывается в атмосферу при выдохе. За сутки организм человека выделяет около 1 кг углекислого газа. Углекислый газ нетоксичен, но дышать им нельзя и его относят к удушающим газам.

Углекислый газ используется растениями при фотосинтезе. Поэтому в тёплое время года вследствие фотосинтеза зелёными растениями содержание СО₂ в атмосфере падает, а в холодное время – повышается.

При повышении концентрации углекислого газа более 0,5% происходит увеличение легочной вентиляции, так как углекислый газ возбуждает дыхательный центр. Опасной для здоровья человека является концентрация 7-10% и более, при которой начинаются симптомы удушья в виде головной боли, головокружения, потери сознания. При вдыхании воздуха содержащего очень высокую концентрацию углекислого газа, независимо от содержания в воздухе кислорода, может очень быстро наступить смерть от удушья.

Водяной пар – это вода в газообразном состоянии, один из компонентов воздуха.  Содержание воды в воздухе определяется таким параметром, как влажность воздуха.  Концентрация водяного пара в воздухе значительно варьируется от примерно 0,0001 % по объему в самых холодных частях атмосферы до 5% по объему в горячих, влажных воздушных массах. Водяной пар составляет около 0,25% по массе от массы всей атмосферы.

Концентрация водяного пара в воздухе зависит от температуры, влажности, времени года и климата. Так, при температуре 0 °C один кубический метр воздуха может содержать не более 5 г воды, а при температуре +10 °C в два раза больше.

Вода – это неорганическое соединение – двуокись водорода. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода соединённых между собой – H₂O. Вода в нормальном состоянии представляет собой прозрачную бесцветную жидкость без вкуса и запаха. При низких температурах вода переходит в твёрдое состояние – лёд, в газообразном состоянии вода представляет собой газ – водяной пар.

Контроль чистоты атмосферного воздуха на территории городов:

В крупных промышленных городах воздух может содержать значительное количество примесей, таких как взвешенные твёрдые частицы различного происхождения, газообразные соединения серы и хлора, аммиак и другие загрязнения вредно влияющие на живые организмы. Мониторинг качества атмосферного воздуха на территории населенных пунктов и контроль за соблюдением установленных гигиенических нормативов (ПДК) загрязняющих веществ осуществляет Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека. На протяжении многих лет ведётся пропаганда о том, что О том, какое значение имеет чистота атмосферного воздуха смотрите в видео:

Физические свойства воздуха:

Воздух абсолютно прозрачен и не имеет цвета, запаха и вкуса. Он хорошо сжимаем и упруг.

Воздух имеет свойство сжиматься при охлаждении и расширяться при нагревании, поэтому теплый воздух легче холодного.

Воздух плохо проводит тепло и хорошо удерживает его.

Он заполняет собой весь свободный объём любого пустого пространства.

Воздух, благодаря присутствию в нём кислорода, поддерживает горение горючих веществ.

(При нормальном атмосферном давлении – 101 325 Па или 1 атм.)

Можно ли увидеть воздух?

Не смотря на то, что воздух не имеет цвета и почти абсолютно прозрачен, увидеть его (а вернее воздушные потоки его пронизывающие) всё же можно. Есть несколько способов это сделать:

• Один из них – подкрашивание потоков воздуха с помощью дыма. Так изучают воздушные потоки в аэродинамике, путём продувания различных моделей (например, моделей самолётов или автомобилей) в аэродинамической трубе и наблюдения за движением воздуха обдувающего эти модели.
• Другой способ увидеть потоки воздуха — наклеить на модель лёгкие нити или ленты, которые укажут направление потока воздуха.
• Ещё один способ основан на неоднородном преломлении света движущимися воздушными массами. Увидеть воздушные потоки можно наблюдая отбрасываемые ими тени на светлом экране при просвечивании воздушных масс точечным источником света.