Состав воздуха в процентах по объему: диаграмма и интересные факты. Химический состав атмосферы Земли

Состав Земли. Воздух

Воздух - это механическая смесь из различных газов, составляющих атмосферу Земли. Воздух необходим для дыхания живых организмов, находит широкое применение в промышленности.

То, что воздух представляет собой именно смесь, а не однородную субстанцию, было доказано в ходе экспериментов шотландского учёного Джозефа Блэка. В ходе одного из них учёный обнаружил, что при нагревании белой магнезии (углекислый магний) выделяется «связанный воздух», то есть углекислый газ, и образуется жжёная магнезия (окись магния). При обжиге известняка, напротив, происходит удаление «связанного воздуха». На основе этих экспериментов учёный сделал вывод, что различие между углекислыми и едкими щелочами заключается в том, что в состав первых входит углекислый газ, являющийся одной из составных частей воздуха. Сегодня же мы знаем, что кроме углекислого, в состав земного воздуха входят:

Указанное в таблице соотношение газов в земной атмосфере характерно для её нижних слоёв, до высоты 120 км. В этих областях лежит хорошо перемешанная, однородная по составу область, называемая гомосферой. Выше гомосферы лежит гетеросфера, для которой характерно разложение молекул газов на атомы и ионы. Области отделены друг от друга турбопаузой.

Химическая реакция, при которой под воздействием солнечного и космического излучения происходит разложение молекул на атомы, называется фотодиссоциацией. При распаде молекулярного кислорода образуется атомарный кислород, являющийся основным газом атмосферы на высотах свыше 200 км. На высотах от 1200 км начинают преобладать водород и гелий, являющиеся наиболее лёгкими из газов.

Поскольку основная масса воздуха сосредоточена в 3 нижних атмосферных слоях, изменения состава воздуха на высотах более 100 км не оказывают заметного влияния на общий состав атмосферы.

Азот - самый распространенный газ, на долю которого приходится более трёх четвертей объёма земного воздуха. Современный азот образовался при окислении ранней аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кислородом, который образуется в процессе фотосинтеза. В настоящее время небольшое количество азота в атмосферу поступает в результате денитрификации - процесса восстановления нитратов до нитритов, с последующим образованием газообразных оксидов и молекулярного азота, который производится анаэробными прокариотами. Часть азота в атмосферу поступает при вулканических извержениях.

В верхних слоях атмосферы при воздействии электрических разрядов при участии озона молекулярный азот окисляется до монооксида азота:

N 2 + O 2 → 2NO

В обычных условиях монооксид тотчас же вступает в реакцию с кислородом с образованием закиси азота:

2NO + O 2 → 2N 2 O

Азот является важнейшим химическим элементом земной атмосферы. Азот входит в состав белков, обеспечивает минеральное питание растений. Он определяет скорость биохимических реакций, играет роль разбавителя кислорода.

Вторым по распространённости газом атмосферы Земли является кислород. Образование этого газа связывают с фотосинтезирующей деятельностью растений и бактерий. И чем более разнообразными и многочисленными становились фотосинтезирующие организмы, тем более значительным становился процесс содержания кислорода в атмосфере. Небольшое количество тяжёлого кислорода выделяется при дегазации мантии.

В верхних слоях тропосферы и стратосферы под воздействием ультрафиолетового солнечного излучения (обозначим его как hν) образуется озон:

O 2 + hν → 2O

В результате действия того же ультрафиолетового излучения происходит и распад озона:

О 3 + hν → О 2 + О

О 3 + O → 2О 2

В результате первой реакции образуется атомарный кислород, в результате второй - молекулярный кислород. Все 4 реакции носят название «механизм Чепмена», по имени британского учёного Сидни Чепмена открывшего их в 1930 году.

Кислород служит для дыхания живых организмов. С его помощью происходят процессы окисления и горения.

Озон служит для защиты живых организмов от ультрафиолетового излучения, которое вызывает необратимые мутации. Наибольшая концентрация озона наблюдается в нижней стратосфере в пределах т.н. озонового слоя или озонового экрана, лежащего на высотах 22-25 км. Содержание озона невелико: при нормальном давлении весь озон земной атмосферы занимал бы слой толщиной всего 2,91 мм.

Образование третьего по распространенности в атмосфере газа аргона, а также неона, гелия, криптона и ксенона связывают с вулканическими извержениями и распадом радиоактивных элементов.

В частности гелий является продуктом радиоактивного распада урана, тория и радия: 238 U → 234 Th + α, 230 Th → 226 Ra + 4 He, 226 Ra → 222 Rn + α (в этих реакция α-частица является ядром гелия, которая в процессе потери энергии захватывает электроны и становится 4 He).

Аргон образуется в процессе распада радиоактивного изотопа калия: 40 K → 40 Ar + γ.

Неон улетучивается из изверженных пород.

Криптон образуется как конечный продукт распада урана (235 U и 238 U) и тория Th.

Основная масса атмосферного криптона образовалась ещё на ранних стадиях эволюции Земли как результат распада трансурановых элементов с феноменально малым периодом полураспада или поступила из космоса, содержание криптона в котором в десять миллионов раз выше чем на Земле.

Ксенон является результатом деления урана, но основная масса этого газа осталась с ранних стадий образования Земли, от первичной атмосферы.

Углекислый газ поступает в атмосферу в результате вулканических извержений и в процессе разложения органического вещества. Его содержание в атмосфере средних широт Земли сильно различается в зависимости от сезонов года: зимой количество CO 2 возрастает, а летом - снижается. Связано данное колебание с деятельностью растений, которые используют углекислый газ в процессе фотосинтеза.

Водород образуется в результате разложения воды солнечным излучением. Но, будучи самым лёгким из газов, входящих в состав атмосферы, постоянно улетучивается в космическое пространство, и потому содержание его в атмосфере очень невелико.

Водяной пар является результатом испарения воды с поверхности озёр, рек, морей и суши.

Концентрация основных газов в нижних слоях атмосферы, за исключением водяных паров и углекислого газа, постоянна. В небольших количествах в атмосфере содержатся оксид серы SO 2 , аммиак NH 3 , монооксид углерода СО, озон O 3 , хлороводород HCl, фтороводород HF, монооксид азота NO, углеводороды, пары ртути Hg, йода I 2 и многие другие. В нижнем атмосферном слое тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц.

Источниками твёрдых частиц в атмосфере Земли являются вулканические извержения, пыльца растений, микроорганизмы, а в последнее время и деятельность человека, например, сжигание ископаемого топлива в процессе производства. Мельчайшие частицы пыли, которые являющиеся ядрами конденсации, служат причинами образования туманов и облаков. Без твёрдых частиц, постоянно присутствующих в атмосфере, на Землю не выпадали бы осадки.

Маленькие дети часто спрашивают своих родителей о том, что такое и из чего обычно состоит воздух. Но не каждый взрослый может ответить правильно. Конечно, все изучали строение воздуха в школе на уроках природоведения, но с годами эти знания могли забыться. Попытаемся их восполнить.

Что такое Воздух?

Воздух - это уникальная «субстанция». Его нельзя увидеть, потрогать, он безвкусен. Именно поэтому так сложно дать четкое определение, что это такое. Обычно просто говорят - воздух, это то, чем мы дышим. Он находится вокруг нас, хотя мы его совсем не замечаем. Почувствовать его можно лишь, когда дует сильный ветер или появляется неприятный запах.

Что будет, если воздух исчезнет? Без него не может жить и работать ни один живой организм, а значит, все люди и животные погибнут. Он не обходим для процесса дыхания. Важное значение имеет, насколько чист и полезен воздух, которым все дышат.

Где найти свежий воздух?

Самый полезный воздух находится:

В лесах, особенно сосновых.
В горах.
Около моря.

Воздух в этих местах отличается приятным ароматом и обладает полезными для организма свойствами. Это объясняет, почему детские оздоровительные лагеря и различные санатории располагаются неподалеку от лесных массивов, в горах или на морском побережье.

Насладиться свежим воздухом можно лишь подальше от города. По этой причине многие люди покупают дачные участки за пределами населенного пункта. Некоторые переезжают на временное или постоянное местожительство в деревню, строят там дома. Особенно часто так делают семьи с маленькими детьми. Люди уезжают, ведь воздух на территории города является сильно загрязненным.

Проблема загрязнения свежего воздуха

В современном мире проблема загрязнения окружающей среды особенно актуальна. Работа современных заводов, предприятий, атомных электростанций, автомобилей негативно отражается на природе. Они выкидывают в атмосферу вредные вещества, которые загрязняют атмосферу. Поэтому, очень часто люди в городских поселениях испытывают нехватку свежего воздуха, что очень опасно.

Серьезную проблему несет тяжелый воздух внутри плохо проветриваемого помещения, особенно если в нем находятся компьютеры и другая техника. Присутствуя в таком месте, человек может начать задыхаться от недостатка воздуха, у него появляются боли в голове, возникает слабость.

Если верить статистики, составленной Всемирной организацией здравоохранения, около 7 миллионов человеческих смертей в год связано с поглощением загрязненного воздуха на улице и в закрытых помещениях.

Вредный воздух - считается одной из главных причин возникновения такого ужасного заболевания, как рак. Так утверждают организации, занимающиеся изучением онкологических заболеваний.

Следовательно, необходимо принимать меры профилактики.

Как получить свежий воздух?

Человек будет здоров, если ежедневно сможет дышать свежим воздухом. Если нет возможности переехать за город из-за важной работы, отсутствия денег или по другим причинам, то необходимо искать выход из ситуации на месте. Чтобы организм получал необходимую норму свежего воздуха, следует придерживаться следующих правил:

Чаще бывать на улице, например, прогуливаться по вечерам в парках, садах.
Выезжать по выходным на прогулку в лес.
Постоянно проветривать жилые и рабочие помещения.
Посадить больше зеленых растений, особенно в рабочих кабинетах, где есть компьютеры.
Желательно раз в год посещать курорты, расположенные на море или в горах.

Из каких газов состоит воздух?

Ежедневно каждую секунду люди делают вдох и выдох, совершенно не задумываясь о воздухе. Люди никак не реагируют на него, несмотря на то, что он окружает их повсюду. Вопреки свой невесомости и невидимости для человеческого глаза, воздух имеет довольно сложную структуру. Он включает взаимосвязь нескольких газов:

Азот.
Кислород.
Аргон.
Углекислый газ.
Неон.
Метан.
Гелий.
Криптон.
Водород.
Ксенон.

Основную долю воздуха занимает азот , массовая доля которого равняется 78 процентам. 21 процент от общего числа приходится на кислород - самый незаменимый для жизни человека газ. Оставшиеся проценты занимают другие газы и водяной пар, из которого образовываются облака.

Может возникнуть вопрос, почему так мало кислорода, всего чуть больше 20%? Этот газ является реактивным. Поэтому, при увеличении его доли в атмосфере, значительно возрастет вероятность возникновения пожаров в мире.

Из чего состоит воздух, которым мы дышим?

Два главных газа, составляющие основу воздуха, которым мы дышим каждый день:

Кислород.
Углекислый газ.

Вдыхаем кислород, выдыхаем углекислый газ. Такую информацию знает каждый школьник. Но откуда берется кислород? Основной источник выработки кислорода - зеленые растения. Они же являются потребителями углекислого газа.

Интересно устроен мир. Во всех происходящих жизненных процессах соблюдается правило сохранения баланса. Если откуда-то что-то ушло, то куда-то что-то пришло. Так и с воздухом. Зеленые насаждения вырабатывают кислород, необходимый человечеству для дыхания. Люди потребляют кислород и выделяют углекислый газ, которым, в свою очередь, питаются растения. Благодаря этой системе взаимодействия, на планете Земля существуют жизнь.

Зная, из чего состоит воздух, которым мы дышим, и как сильно он загрязнен в современное время, необходимо беречь растительный мир планеты и делать все возможное для увеличения представителей зеленых растений.

Видео о составе воздуха

На страницах блога мы много рассказываем о самых разных химических веществах и смесях, но у нас еще не было рассказа об одном из важнейших сложных веществ — о воздухе. Исправим это и расскажем о воздухе. В первой статье: немного истории изучения воздуха, его химический состав и основные факты о нем.

Немного истории изучения воздуха

В настоящее время под воздухом понимают смесь газов, образующих атмосферу нашей планеты. Но так было не всегда: долгое время ученые думали, что воздух — это простое вещество, целостная субстанция. И хотя многие ученые высказывали гипотезы о сложном составе воздуха, дальше догадок дело не шло до XVIII века. Кроме того, воздуху придавали философское значение. В Древней Греции воздух считался одной из основополагающих космических стихий, наряду с землей, огнем, землей и водой образующих все сущее. Аристотель относил воздух к подлунным легким элементам, олицетворяющим влажность и тепло. Ницше в своих трудах писал о воздухе, как о символе свободы, как о наивысшей и самой тонкой форме материи, для которой не существует преград.

В XVII веке было доказано, что воздух — это материальная сущность, вещество, свойства которого, например, плотность и вес, можно измерить.

В XVIII веке ученые проводили в запаянных химических сосудах реакции воздуха с различными веществами. Так было установлено, что поглощается примерно пятая часть объема воздуха, а оставшаяся часть горения и дыхания не поддерживают. В результате был сделан вывод, что воздух вещество сложное, состоящее из двух составляющих, одна из которых, кислород — поддерживает горение, а вторая — азот, «испорченный воздух», не поддерживает горение и дыхание. Так был открыт кислород. Чуть позднее получен в чистом виде азот. И только в самом конце XIX века были открыты аргон, гелий, криптон, ксенон, радон и неон, тоже имеющиеся в составе воздуха.

Химический состав

Воздух состоит из смеси примерно двадцати семи различных газов. Примерно на 99% — это смесь кислорода и азота. В составе оставшегося процента: водяной пар, углекислый газ, метан, водород, озон, инертные газы (аргон, ксенон, неон, гелий, криптон) и другие. Например, в воздухе часто можно обнаружить сероводород, угарный газ, йод , оксиды азота, аммиак .

Считается, что в чистом воздухе при нормальных условиях содержится 78,1% азота и 20,93% кислорода. Однако в зависимости от географического положения и высоты над уровнем моря состав воздуха может различаться.

Существует еще такое понятие, как загрязненный воздух, то есть воздух, состав которого отличается от природного атмосферного за счет наличия загрязняющих веществ. Эти вещества бывают:
. естественного происхождения (вулканические газы и пыль, морская соль, дымы и газы от природных пожаров, растительная пыльца, пыль от эрозии почв и т.п.).
. антропогенного происхождения — возникшие в результате промышленной и бытовой деятельностью человека (выбросы соединений углерода, серы, азота; угольной и другой пыли от горнодобычи и промышленных предприятий; отходы сельскохозяйственного производства, промышленные и бытовые свалки, аварийные разливы нефти и других опасных для окружающей среды веществ; газовые выхлопы транспортных средств и т.п.).

Свойства

Чистый атмосферный воздух не имеет цвета и запаха, он невидим, хотя его можно ощутить. Физические параметры воздуха определяются следующими характеристиками:

Массой;
. температурой;
. плотностью;
. атмосферным давлением;
. влажностью;
. теплоемкостью;
. теплопроводностью;
. вязкостью.

Большая часть параметров воздуха зависят от его температуры, поэтому существует множество таблиц параметров воздуха для различных температур. Температуру воздуха измеряют с помощью метеорологического термометра , а влажность — с помощью гигрометра .

Воздух проявляет окислительные свойства (за счет большого содержания кислорода), поддерживает горение и дыхание; плохо проводит тепло, хорошо растворяется в воде. Его плотность уменьшается по мере увеличения температуры, а вязкость увеличивается.

Из следующей статьи вы узнаете о несколько несколько интересных фактов о воздухе и его применении.

Та часть атмосферы, которая прилегает к Земле и которой соответственно дышит человек, называется тропосферой. Тропосфера имеет высоту от девяти до одиннадцати километров и представляет собой механическую смесь разнообразных газов.

Состав воздуха не обладает постоянством. В зависимости от географического положения, местности, погодных условий, воздух может иметь различный состав и различные свойства. Воздух может быть загазованным или разряженным, свежим или тяжелым - все это означает, что в нем имеют определенные примеси.

Азот - 78,9 процента;

Кислород - 20,95 процента;

Двуокись углерода - 0,3 процента.

Кроме того, в атмосфере присутствуют другие газы (гелий, аргон, неон, ксенон, криптон, водород, радон, озон), а также и Сумма их составляет чуть меньше одного процента.

Также стоит указать на наличие в воздухе некоторых постоянных примесей природного происхождения, в частности, некоторых газообразных продуктов, которые образуются в результате как биологических, так и химических процессов. Специального упоминания среди них заслуживает аммиак (состав воздуха вдали от населенных мест включает в себя порядка трех-пяти тысячных миллиграмма на кубический метр), метан (его уровень равен в среднем двум десятитысячным миллиграмма на кубический метр), окислы азота (в атмосфере их концентрация достигает приблизительно пятнадцать десятитысячных миллиграмма на метр кубический), сероводорода и других газообразных продуктов.

Помимо парообразных и газообразных примесей, химический состав воздуха обычно включает в себя пыль космического происхождения, которая выпадает на поверхность Земли в количестве семи стотысячных тонны на квадратный километр в течение года, а также пылевые частицы, которые поступают при извержениях вулканов.

Однако в наибольшей степени изменяет (причем не в лучшую сторону) состав воздуха и загрязняет тропосферу так называемая наземная (растительная, почвенная) пыль и дым лесных пожаров. Особенно много такой пыли в континентальных воздушных массах, берущих свое начало в пустынях Центральной Азии и Африки. Именно поэтому с уверенностью можно заявить, что идеально чистой воздушной среды попросту не существует, и она является понятием, существующим только теоретически.

Состав воздуха имеет свойство постоянно изменяться, причем его естественные изменения обычно играют достаточно небольшую роль, особенно в сравнении с возможными последствиями его искусственных нарушений. Такие нарушения преимущественно связаны с производственной деятельностью человечества, использованием устройств для бытового обслуживания, а также транспортными средствами. Эти нарушения способны приводить в том числе и к денатурации воздуха, то есть к ярко выраженным отличиям ее состава и свойств от соответствующих показателей атмосферы.

Эти и многие другие виды человеческой деятельности привели к тому, что основной состав воздуха начал подвергаться медленным и незначительным, но тем не менее абсолютно необратимым изменениям. Например, ученые подсчитали, что за последние пятьдесят лет человечеством было использовано примерно столько же кислорода, сколько за предшествующий миллион лет, а в процентном соотношении - две десятых процента от его общего запаса в атмосфере. При этом соответственно повышается выброс в воздушную Этот выброс по последним данным достиг почти четырех сотен миллиардов тонн за последние сто лет.

Таким образом, состав воздуха меняется в худшую сторону, и сложно предположить, каким он станет уже через несколько десятков лет.

Приведенный в табл. 1.1 состав атмосферного воздуха претерпевает в закрытых помещениях различные изменения. Во-первых, меняется процентное содержание отдельных обязательных компонентов, и, во-вторых, появляются дополнительные, не свойственные чистому воздуху примеси. В настоящем параграфе речь пойдет об изменениях газового состава и о допустимых отклонениях его от нормального.

Важнейшими для жизнедеятельности человека газами являются кислород и углекислый газ, участвующие в газообмене человека с окружающей средой. Этот газообмен осуществляется главным образом в легких человека в процессе дыхания. Газообмен, происходящий через поверхность кожи, примерно в 100 раз меньше, чем через легкие, так как поверхность тела взрослого человека составляет приблизительно 1,75 м2, а поверхность альвеол легких - около 200 м2. Процесс дыхания сопровождается образованием в организме человека теплоты в количестве от 4,69 до 5,047 (в среднем 4,879) ккал на 1 л поглощенного кислорода (перешедшего в углекислоту). Следует заметить, что поглощается только незначительная часть содержащегося во вдыхаемом воздухе кислорода (приблизительно 20%). Так, если в атмосферном воздухе находится примерно 21% кислорода, то в выдыхаемом человеком воздухе его будет около 17%. Обычно количество выдыхаемой углекислоты меньше количества поглощенного кислорода. Отношение объемов выделяемой человеком углекислоты и поглощенного кислорода носит название дыхательного коэффициента (ДК), который обычно колеблется от 0,71 до 1. Однако если человек находится в состоянии сильного возбуждения или выполняет очень тяжелую работу, ДК может быть даже больше единицы.

Количество кислорода, необходимое человеку для поддержания нормальной жизнедеятельности, в основном зависит от интенсивности выполняемой им работы и определяется степенью нервного и мускульного напряжения. Усвоение кровью кислорода происходит лучше всего при парциальном давлении около 160 мм рт. ст., что при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. соответствует нормальному процентному содержанию кислорода в атмосферном воздухе, т. е. 21%.

Благодаря способности человеческого организма приспособляться, нормальное дыхание может наблюдаться и при меньших количествах кислорода.

Если сокращение содержания кислорода в воздухе происходит за счет инертных газов (например, азота), то возможно значительное уменьшение количества кислорода - вплоть до 12%.

Однако в закрытых помещениях уменьшение содержания кислорода сопровождается не нарастанием концентрации инертных газов, а накоплением углекислого газа. В этих условиях предельно допустимое минимальное содержание кислорода в воздухе должно быть намного выше. Обычно в качестве нормы такой концентрации принимается содержание кислорода, равное 17% по объему. Вообще говоря, в закрытых помещениях процентное содержание кислорода никогда не снижается до этой нормы, так как гораздо раньше достигает предельного значения концентрация углекислого газа. Поэтому практически важнее установить предельно допустимые нормы содержания в закрытых помещениях не кислорода, а углекислого газа.

Углекислый газ С02 представляет собой бесцветный газ со слабым кислым вкусом и запахом; он в 1,52 раза тяжелее воздуха, слегка ядовит. Накопление углекислого газа в воздухе закрытых помещений приводит к появлению головной боли, головокружению, слабости, потере чувствительности и даже потере сознания.

Считается, что в атмосферном воздухе количество углекислого газа составляет 0,03% по объему. Это справедливо для сельских местностей. В воздухе крупных промышленных центров его содержание обычно больше. Для расчетов принимают концентрацию, равную 0,04%. В воздухе, выдыхаемом человеком, содержится примерно 4% углекислого газа.

Без каких-либо вредных последствий для человеческого организма в воздухе закрытых помещений могут быть допущены концентрации углекислого газа, значительно более высокие, чем 0,04%.

Величина предельно допустимой концентрации углекислого газа зависит от продолжительности пребывания людей в том или ином закрытом помещении и от рода их занятий. Например, для герметизированных убежищ, при размещении в них здоровых людей на срок не более 8 часов, может быть принята в качестве предельно допустимой концентрации С02 норма в 2%. При кратковременном пребывании людей эта норма может быть увеличена. Возможность пребывания человека в среде с повышенными концентрациями углекислого газа обусловлена способностью человеческого организма приспосабливаться к различным условиям. При концентрации С02 выше, чем 1%, человек начинает вдыхать значительно больше воздуха. Так, при концентрации С02 в 3% дыхание удваивается даже в состоянии покоя, что само по себе не вызывает заметных отрицательных последствий при сравнительно кратковременном пребывании в таком воздухе человека. Если же человек будет находиться в помещении с концентрацией С02 в 3% достаточно долго (3 и более суток), ему грозит потеря сознания.

При длительном пребывании людей в герметизированных помещениях и при выполнении людьми той или иной работы величина предельно допустимой концентрации углекислого газа должна быть существенно меньше 2%. Допускается колебание ее от 0,1 до 1%. Содержание углекислого газа 0,1% может считаться допустимым и для обычных негерметизированных помещений зданий и сооружений различного назначения. Более низкая концентрация углекислого газа (порядка 0,07-0,08) должна назначаться лишь для помещений лечебных и детских учреждений.

Как будет ясно из дальнейшего, требования в отношении содержания углекислого газа в воздухе помещений наземных зданий обычно легко удовлетворяются, если источниками его выделения являются люди. Иначе стоит вопрос, когда углекислый газ накапливается в производственных помещениях в результате тех или иных технологических процессов, происходящих, например, в дрожжевых, пивоваренных, гидролизных цехах. В этом случае в качестве предельно допустимой концентрации углекислого газа принимают 0,5%.