Воздух — смесь, а не соединение
Смесь — это два или больше веществ, которые перемешаны, но не соединены химической реакцией. Воздух — смесь. Как это узнать?
- Количество каждого газа может меняться. В переполненной комнате больше углекислого газа. Над морем больше водяного пара. У соединения состав всегда постоянный.
- Каждый газ сохраняет свои свойства. Кислород в воздухе по-прежнему поддерживает горение. Азот в воздухе по-прежнему не поддерживает.
- Газы можно разделить физическими способами. Если охладить воздух примерно до −200 °C, он станет жидким. Если затем медленно нагревать, каждый газ закипает при своей температуре (фракционная перегонка). Азот кипит при −196 °C, аргон при −186 °C, кислород при −183 °C.
- Когда газы смешивают, получая воздух, не выделяется ни тепла, ни света, в отличие от образования соединения.
Какие газы есть в воздухе?
В сухом чистом воздухе (по объёму):
| Газ | Доля | Главная роль |
|---|---|---|
| Азот, N₂ | около 78% | Разбавляет кислород; растения получают его через почвенные бактерии; из него делают удобрения |
| Кислород, O₂ | около 21% | Дыхание и горение |
| Аргон, Ar | около 0,93% | Неактивный благородный газ |
| Углекислый газ, CO₂ | около 0,04% | Нужен растениям для фотосинтеза; удерживает тепло |
| Неон, гелий, криптон, ксенон | ничтожные следы | Благородные газы |
Водяного пара в таблице нет, потому что его доля меняется: от почти 0% в пустыне до примерно 4% во влажном тропическом лесу. Ещё в воздухе есть пыль, пыльца и микробы.
Благородные газы: свойства и применение
Гелий, неон, аргон, криптон и ксенон — это благородные газы (18-я группа). Внешний слой электронов у их атомов заполнен, поэтому они почти не вступают в реакции. У них нет ни цвета, ни запаха.
- Аргон: наполняет лампы накаливания и защищает раскалённый металл при сварке, чтобы он не сгорел.
- Гелий: очень лёгкий и не горит, поэтому им наполняют метеозонды и праздничные шарики.
- Неон: светится красно-оранжевым в рекламных вывесках, когда через него идёт электрический ток.
- Криптон и ксенон: яркие лампы, например автомобильные фары и лампы маяков.
Как измерить кислород в воздухе
Идея: запереть известный объём воздуха, забрать из него только кислород и посмотреть, насколько уменьшился объём.
Способ 1: ржавеющее железо
Положите влажную железную вату в верхнюю часть мерной трубки. Поставьте трубку вверх дном в воду. За несколько дней железо заржавеет. Ржавление забирает кислород, поэтому вода входит в трубку на его место. Она останавливается примерно на 1/5 (21%) объёма воздуха.
Способ 2: горящий фосфор (колокол)
Красный фосфор сжигают под стеклянным колоколом, стоящим в воде. Он реагирует с кислородом и образует белое твёрдое вещество (оксид), которое растворяется. Когда колокол остывает, вода поднимается примерно на 1/5 высоты.
Способ 3: нагретая медь и два шприца
100 см³ воздуха гоняют туда и обратно над горячей медью между двумя газовыми шприцами. Медь чернеет (оксид меди), забирая кислород. После остывания остаётся около 79 см³, значит, около 21 см³ было кислородом.
Доля кислорода = (использованный объём ÷ начальный объём) × 100. Оставшийся газ не поддерживает горение: горящая лучинка в нём гаснет. Это показывает, что в нём в основном азот.
Загрязнение воздуха: источники, вред и защита
Загрязнитель — это вещество, попавшее в воздух и вредящее живым существам или зданиям.
| Загрязнитель | Главный источник | Вред |
|---|---|---|
| Твёрдые частицы (PM2.5, PM10, сажа) | Дизельные двигатели, сжигание остатков урожая, пыль | Проникают глубоко в лёгкие; астма, болезни сердца; смог |
| Угарный газ (CO) | Горение топлива при нехватке воздуха; выхлопы машин | Ядовит: мешает крови переносить кислород |
| Сернистый газ (SO₂) | Сжигание угля и нефти, содержащих серу | Кислотный дождь; проблемы с дыханием; разрушает мрамор |
| Оксиды азота (NO, NO₂) | Горячие двигатели машин; электростанции | Кислотный дождь; смог |
| Лишний CO₂, метан | Сжигание ископаемого топлива; фермы | Удерживают тепло: глобальное потепление |
Как защитить воздух
- Пользуйтесь общественным транспортом, ездите на велосипеде или ходите пешком; переходите на электромобили и машины на газе (CNG).
- Каталитические нейтрализаторы в машинах превращают CO и NO в CO₂ и N₂.
- Скрубберы убирают SO₂ из дыма электростанций; используйте топливо с малым содержанием серы.
- Не жгите мусор и стерню; сажайте деревья; следите за индексом качества воздуха (AQI) и в плохие дни носите маску.
Попробуйте дома
Затолкайте небольшой комок влажной стальной мочалки (какой чистят кастрюли) на дно высокого стакана. Поставьте стакан вверх дном в тарелку с водой. Отметьте уровень воды лентой. Проверьте через 3 дня. Вода поднимется примерно на одну пятую высоты воздуха в стакане. Вы только что измерили кислород в воздухе! (Попросите взрослого помочь; огонь не нужен.)
Главные формулы и определения
- Воздух по объёму: N₂ ≈ 78%, O₂ ≈ 21%, Ar ≈ 0,93%, CO₂ ≈ 0,04%
- Доля кислорода = (объём израсходованного кислорода ÷ начальный объём воздуха) × 100
- Объём газа в воздухе = общий объём × (доля в % ÷ 100)
- Смесь: части не соединены химически; доли могут меняться; разделяется физическими способами
- Благородные газы (18-я группа): He, Ne, Ar, Kr, Xe – заполненный внешний слой, очень неактивны
Разобранные примеры
1. В классе 200 м³ воздуха. Сколько примерно из этого кислорода?
Кислород ≈ 21% от 200 м³ = 0,21 × 200 = 42 м³.
2. В опыте с медью 100 см³ воздуха уменьшились до 79 см³. Найдите долю кислорода.
Израсходовано кислорода = 100 − 79 = 21 см³. Доля = 21 ÷ 100 × 100 = 21%.
3. В трубке 50 см³ воздуха. После того как железная вата заржавела, осталось 40 см³ газа. Какую долю воздуха составлял кислород? Близко ли это к настоящему значению?
Израсходовано = 50 − 40 = 10 см³. Доля = 10 ÷ 50 × 100 = 20%. Да, близко к 21% (небольшие ошибки возникают из-за неточного чтения шкалы или из-за того, что железо забрало не весь кислород).
4. Почему в лампочках используют аргон, а не кислород?
Кислород заставил бы раскалённую нить гореть, и она бы перегорела. Аргон — благородный газ: он не вступает в реакции, поэтому нить служит дольше.
Частые ошибки
- Говорить, что в воздухе больше всего кислорода. В воздухе больше всего азота (78%); кислорода только около 21%.
- Называть воздух соединением. Это смесь: её состав может меняться, а газы можно разделить физическими способами.
- Думать, что углекислый газ — большая часть воздуха. Его только около 0,04%, хотя для климата он очень важен.
- Брать конечный объём вместо израсходованного: % кислорода = (начало − конец) ÷ начало × 100.