В каком объеме воздуха содержится
Воздух – природная
смесь газов
При слове «воздух» большинству из нас невольно приходит на
ум, быть может, несколько наивное сопоставление: воздух – это то, чем дышат.
Действительно, в этимологическом словаре русского языка указывается, что слово
«воздух» заимствовано из церковно-славянского языка: «воздыхать». С точки
зрения биологической, воздух, следовательно, является средой для поддержания
жизни за счет кислорода. В составе воздуха могло бы и не быть кислорода – жизнь
все равно развивалась бы в анаэробных формах. Но полное отсутствие воздуха,
по-видимому, исключает, возможность существования каких бы то ни было
организмов.
Для физиков воздух – прежде всего земная атмосфера и газовая
оболочка, окружающая землю.
А что же представляет сам воздух с точки зрения химии?
Много сил, труда и терпения потребовалось ученым,
чтобы раскрыть эту загадку природы, что воздух – не самостоятельное вещество,
как считалось еще более 200 лет тому назад, а представляет сложную смесь газов.
Впервые высказался о сложном составе воздуха ученый – художник Леонардо да
Винчи (XV век).
Около 4 миллиардов лет назад атмосфера Земли состояла в
основном из углекислого газа. Постепенно он растворялся в воде, реагировал с
горными породами, образуя карбонаты и гидрокарбонаты кальция и магния. С
появлением зеленых растений этот процесс стал протекать гораздо быстрее. К
моменту появления человека углекислый газ, так необходимый растениям уже стал
дефицитом. Его концентрация в воздухе до начала промышленной революции
составляла всего 0,029%. В течение 1,5 млд лет содержание кислорода постепенно
увеличивалось.
Химический
состав воздуха
Составные | Содержание | |
По | По массе | |
Азот (N2) | 78,09 | 75,50 |
Кислород (О2) | 20,95 | 23,10 |
Благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, в основном | 0,94 | 1,3 |
Оксид углерода (IV) – углекислый газ | 0,03 | 0,046 |
Впервые установил количественный состав воздуха французский ученый Антуан Лоран Лавуазье. По
результатам своего известного 12-дневного опыта он сделал вывод, что весь
воздух в целом состоит из кислорода, пригодного для дыхания и горения, и азота,
неживого газа, в пропорциях 1/5 и 4/5 объема соответственно. Он нагревал
металлическую ртуть в реторте на жаровне в течение 12 суток. Конец реторты был
подведён под колокол, поставленный в сосуд с ртутью. В результате уровень ртути
в колоколе поднялся примерно на 1/5. На поверхности ртути в реторте
образовалось вещество оранжевого цвета – оксид ртути. Оставшийся под колоколом
газ был непригоден для дыхания. Ученый предложил «жизненный воздух»
переименовать в «кислород», поскольку при сгорании в кислороде большинство
веществ превращается в кислоты, а «удушливый воздух» – в «азот», т.к. он не
поддерживает жизнь, вредит жизни.
Опыт Лавуазье
Качественный состав воздуха можно доказать следующим опытом
Основным из составляющих воздуха для нас является кислород,
его в воздухе 21% по объему. Разбавлен кислород большим количеством азота – 78%
от объема воздуха и сравнительно маленьким объёмом благородных инертных газов –
их около 1%. Входят в состав воздуха также переменные составляющие – оксид
углерода (IV) или углекислый газ и водяной пар, количество которых зависит от
различных причин. Эти вещества попадают в атмосферу естественным путем. При
извержении вулканов в атмосферу попадают сернистый газ, сероводород и
элементарная сера. Пылевые бури способствуют появлению в воздухе пыли. Оксиды
азота попадают в атмосферу и при грозовых электрических разрядах, во время
которых азот и кислород воздуха реагируют друг с другом, или в результате
деятельности почвенных бактерий, способных высвобождать оксиды азота из
нитратов; способствуют этому и лесные пожары и горение торфяников. Процессы
разрушения органических веществ сопровождаются образованием различных
газообразных соединений серы. Вода в составе воздуха определяет его влажность.
У остальных веществ роль отрицательная: они загрязняют атмосферу. Например,
углекислого газа много в воздухе городов, лишенных зелени, водяного пара – над
поверхностью океанов и морей. В воздухе содержится небольшое количество оксида
серы (IV) или сернистого газа, аммиака, метана, оксида азота (I) или закиси
азота, водорода. Особенно насыщен ими воздух вблизи промышленных предприятий,
газо-нефтяных месторождений или вулканов. В верхних слоях атмосферы существует
еще один газ – озон. Летает в воздухе и разнообразная пыль, которую мы можем
легко заметить, глядя сбоку на тонкий луч света, попадающий из-за шторы в
затемненную комнату.
Постоянные
составляющие газы воздуха:
·
Кислород
·
Азот
·
Инертные
газы
Переменные
составляющие газы воздуха:
·
Оксид
углерода (IV)
·
Озон
·
Другие
Вывод.
1. Воздух –
природная смесь газообразных веществ, в которой каждое вещество имеет и
сохраняет свои физические и химические свойства, поэтому воздух можно
разделить.
2. Воздух –
это бесцветный газообразный раствор, плотность – 1,293г/л, при температур
-1900С он переходит в жидкое состояние. Жидкий воздух представляет
голубоватую жидкость.
3. Живые
организмы тесно связаны с веществами воздуха, которые оказывают определенное
воздействие на них. И в то же время живые организмы влияют на него, так
как выполняют определенные функции: окислительно-восстановительную – окисляют,
например углеводы до углекислого газа и восстанавливают его до углеводов;
газовую – поглощают и выделяют газы.
Таким
образом, живые организмы создали в прошлом и поддерживают миллионы лет
атмосферу нашей планеты.
Загрязнение атмосферы — привнесение в атмосферный воздух новых нехарактерных
для него физических, химических и биологических веществ или изменение
естественной среднемноголетней концентрации этих веществ в нём.
В процессе фотосинтеза из атмосферы удаляется углекислый газ,
а в процессах дыхания и гниения возвращается. Установившееся в ходе эволюции
планеты равновесие между этими двумя газами стало нарушаться, особенно во
второй половине XX в., когда стало усиливаться влияние человека на
природу. Пока природа справляется с нарушениями этого равновесия благодаря воде
океана и его водорослям. Но надолго ли хватит сил у природы?
Схема. Загрязнение атмосферы
Основные загрязнители атмосферного
воздуха в России
Количество машин непрерывно растет, особенно в крупных городах, соответственно,
растет выброс в воздух вредных веществ. «На совести» автомобилей 60% выбросов
вредных веществ в городе!
Предприятия теплоэнергетики России выбрасывают в атмосферу до 30%
загрязнителей, а еще 30% – вклад промышленности (черная и цветная
металлургия, нефтедобыча и нефтепереработка, химическая промышленность и
производство строительных материалов). Уровень загрязнения атмосферы естественными
источниками является фоновым (31–41%), он мало изменяется с течением
времени (59–69%). В настоящее время глобальный характер приобрела
проблема антропогенного загрязнения атмосферы.
Какие же вещества-загрязнители, опасные для всего живого, попадают в атмосферу? Это кадмий, свинец, ртуть, мышьяк,
медь, сажа, меркаптаны, фенол, хлор, серная и азотная
кислоты и другие вещества. Некоторые из
названных веществ мы будем изучать в дальнейшем, узнаем их физические и
химические свойства и поговорим о таящейся в них разрушительной силе для нашего
здоровья.
Масштабы экологического загрязнения
планеты, России
В каких странах мира воздух наиболее загрязнен выхлопными
газами транспорта?
Наибольшая опасность загрязнения атмосферы выхлопными газами угрожает странам с
мощным автопарком. Например, в США на автотранспорт приходится примерно 1/2
всех вредных выбросов в атмосферу (до 50 млн т ежегодно). Автопарк
Западной Европы ежегодно выбрасывает в воздух до 70 млн т вредных
веществ, причем в Германии, например, 30 млн автомобилей дают 70% общего
объема вредных выбросов. В России положение усугубляется тем, что автомашины,
находящиеся в эксплуатации, соответствуют экологическим нормам только на 14,5%.
Загрязняет атмосферу и воздушный транспорт шлейфами выхлопов от многих тысяч
самолетов. Согласно экспертным оценкам, в результате деятельности мирового
автопарка (а это около 500 млн двигателей) в атмосферу ежегодно поступает
одного только углекислого газа 4,5 млрд т.
Чем же опасны эти загрязнители? Тяжелые металлы – свинец, кадмий, ртуть –
оказывают вредное влияние на нервную систему человека, угарный газ – на состав
крови; сернистый газ, взаимодействуя с водой дождей и снегов, превращается в
кислоту и вызывает кислотные дожди. Каковы же масштабы этих загрязнений? Главные
регионы распространения кислотных дождей – США, Западная Европа, Россия. В
последнее время к ним следует отнести и промышленные районы Японии, Китая,
Бразилии, Индии. С распространением кислотных осадков связано понятие
трансграничности – расстояние между районами их образования и районами
выпадения может составлять сотни и даже тысячи километров. Например, главный
«виновник» кислотных дождей на юге Скандинавии – промышленные районы
Великобритании, Бельгии, Нидерландов и Германии. В канадские провинции Онтарио
и Квебек кислотные дожди переносятся из соседних районов США. На территорию
России эти осадки переносятся из Европы западными ветрами.
Неблагополучная экологическая ситуация сложилась на северо-востоке Китая, в
тихоокеанском поясе Японии, в городах Мехико, Сан-Паулу, Буэнос-Айрес. В России
в 1993 г. в 231 городе с общим населением 64 млн. человек содержание вредных веществ в воздухе
превышало нормы. В 86 городах 40 млн. человек проживают в условиях, когда
загрязнения превышают нормы в 10 раз. Среди этих городов Брянск,
Череповец, Саратов, Уфа, Челябинск, Омск, Новосибирск, Кемерово, Новокузнецк,
Норильск, Ростов. По количеству вредных выбросов первое место в России занимает
Уральский регион. Так, в Свердловской области состояние атмосферы не отвечает нормам
на 20 территориях, где проживает 60% населения. В г. Карабаше
Челябинской области медеплавильный завод ежегодно выбрасывает в атмосферу по
9 т вредных соединений на каждого жителя. Частота заболеваний раком здесь
составляет 338 случаев на 10 тыс. жителей.
Тревожная ситуация сложилась также в Поволжье, на юге Западной Сибири, в
Центральной России. В Ульяновске больше, чем в среднем по России, люди страдают
заболеваниями верхних дыхательных путей. Заболеваемость раком легких с
1970 г. выросла в 20 раз, в городе зарегистрирован один из самых высоких
уровней детской смертности в России.
В г. Дзержинске на ограниченной территории сосредоточено большое
количество химических предприятий. За последние 8 лет здесь произошло 60
выбросов сильнодействующих ядовитых веществ в атмосферу, приводивших к
чрезвычайным ситуациям, в ряде случаев повлекших за собой гибель людей. В
Поволжье до 300 тыс. т сажи, золы, копоти, оксидов углерода
обрушиваются на жителей городов ежегодно. Москва занимает 15-е место среди
городов России по суммарному уровню загрязнения атмосферного воздуха.
Источник
Урок 2: Какие газы входят в состав воздуха
Оговоримся сразу, азот в воздухе занимает большую часть, однако и химический состав оставшейся доли весьма интересен и разнообразен. Если коротко, то список основных элементов выглядит следующим образом.
| Элемент | % по объему | % по массе |
| Азот | 78,084 | 75,5 |
| Кислород | 20,9476 | 23,15 |
| Аргон | 0, 934 | 1,292 |
| Углекислый газ | 0,0314 | 0,046 |
| Неон | 0,001818 | 0,0014 |
| Метан | 0,0002 | 0,000084 |
| Гелий | 0,000524 | 0,000073 |
| Криптон | 0,000114 | 0,003 |
| Водород | 0,00005 | 0,00008 |
| Ксенон | 0,0000087 | 0,00004 |
Однако дадим и небольшие пояснения по функциям этих химических элементов.
1. Азот
Содержание азота в воздухе – 78% по объему и 75% по массе, то есть этот элемент доминирует в атмосфере, имеет звание одного из самых распространенных на Земле, и, кроме того, содержится и за пределами зоны обитания человека – на Уране, Нептуне и в межзвездных пространствах. Итак, сколько азота в воздухе, мы уже разобрались, остался вопрос о его функции. Азот необходим для существования живых существ, он входит в состав:
- белков;
- аминокислот;
- нуклеиновых кислот;
- хлорофилла;
- гемоглобина и др.
В среднем около 2% живой клетки составляют как раз атомы азота, что объясняет, зачем столько азота в воздухе в процентах объема и массы.
Азот также является одним из инертных газов, добываемых из атмосферного воздуха. Из него синтезируют аммиак, используют для охлаждения и в других целях.
2. Кислород
Содержание кислорода в воздухе – один из самых популярных вопросов. Сохраняя интригу, отвлечемся на один забавный факт: кислород открыли дважды – в 1771 и 1774 годах, однако из-за разницы в публикациях открытия, почести открытия элемента достались английскому химику Джозефу Пристли, который фактически выделил кислород вторым. Итак, доля кислорода в воздухе колеблется около 21% по объему и 23% по массе. Вместе с азотом эти два газа образуют 99% всего земного воздуха. Однако процент кислорода в воздухе меньше, чем азота, и при этом мы не испытываем проблем с дыханием. Дело в том, что количество кислорода в воздухе оптимально рассчитано именно для нормального дыхания, в чистом виде этот газ действует на организм подобно яду, приводит к затруднениям в работе нервной системы, сбоям дыхания и кровообращения. При этом недостаток кислорода также негативно сказывается на здоровье, вызывая кислородное голодание и все связанные с ним неприятные симптомы. Поэтому сколько кислорода в воздухе содержится, столько и нужно для здорового полноценного дыхания.
3. Аргон
Аргон в воздухе занимает третье место, он не имеет запаха, цвета и вкуса. Значимой биологической роли этого газа не выявлено, однако он обладает наркотическим эффектом и даже считается допингом. Добытый из атмосферы аргон используют в промышленности, медицине, для создания искусственной атмосферы, химического синтеза, пожаротушения, создания лазеров и пр.
4. Углекислый газ
Углекислый газ составляет атмосферу Венеры и Марса, его процент в земном воздухе куда ниже. При этом огромное количество углекислоты содержится в океане, он регулярно поставляется всеми дышащими организмами, выбрасывается за счет работы промышленности. В жизни человека углекислый газ используется в пожаротушении, пищевой промышленности как газ и как пищевая добавка Е290 – консервант и разрыхлитель. В твердом виде углекислота – один из самых известных хладагентов «сухой лед».
5. Неон
Тот самый загадочный свет дискотечных фонарей, яркие вывески и современные фары используют пятый по распространенности химический элемент, который также вдыхает человек – неон. Как и многие инертные газы, неон оказывает на человека наркотическое действие при определенном давлении, однако именно этот газ используют в подготовке водолазов и других людей, работающих при повышенном давлении. Также неоново-гелиевые смеси используются в медицине при расстройствах дыхания, сам неон используют для охлаждения, в производстве сигнальных огней и тех самых неоновых ламп. Однако, вопреки стереотипу, неоновый свет не синий, а красный. Все остальные цвета дают лампы с другими газами.
6. Метан
Метан и воздух имеют очень древнюю историю: в первичной атмосфере, еще до появления человека, метан был в куда большем количестве. Сейчас этот газ, добываемый и используемый как топливо и сырье в производстве, не так широко распространен в атмосфере, но по-прежнему выделяется из Земли. Современные исследования устанавливают роль метана в дыхании и жизнедеятельности организма человека, однако авторитетных данных на этот счет пока нет.
7. Гелий
Посмотрев, сколько гелия в воздухе, любой поймет, что этот газ не относится к числу первостепенных по важности. Действительно, сложно определить биологическое значение этого газа. Не считая забавного искажения голоса при вдыхании гелия из шарика ???? Однако гелий широко применяется в промышленности: в металлургии, пищевой промышленности, для наполнения воздухоплавающих судов и метеорологических зондов, в лазерах, ядерных реакторах и т.д.
8. Криптон
Речь не идет о родине Супермена ???? Криптон – инертный газ, который в три раза тяжелее воздуха, химически инертен, добывается из воздуха, используется в лампах накаливания, лазерах и все еще активно изучается. Из интересных свойств криптона стоит отметить, что при давлении в 3,5 атмосферы он оказывает наркотический эффект на человека, а при 6 атмосферах приобретает резкий запах.
9. Водород
Водород в воздухе занимает 0,00005% по объему и 0,00008% по массе, но при этом именно он – самый распространенный элемент во Вселенной. О его истории, производстве и применении вполне можно написать отдельную статью, поэтому сейчас ограничимся небольшим списком отраслей: химическая, топливная, пищевая промышленности, авиация, метеорология, электроэнергетика.
10. Ксенон
Последний в составе воздуха, изначально и вовсе считавшийся только примесью к криптону. Его название переводится как «чужой», а процент содержания и на Земле, и за ее пределами минимальный, что обусловило его высокую стоимость. Сейчас без ксенона не обходятся: производство мощных и импульсных источников света, диагностика и наркоз в медицине, двигатели космических аппаратов, ракетное топливо. Кроме того, при вдыхании ксенон значительно понижает голос (обратный эффект гелию), а с недавнего времени вдыхание этого газа причислено к списку допингов.
Источник
Команда “Газы!” была объявлена еще две недели назад. И что?! Легкие задачи порешали и расслабились?! Или вы думаете, что задачи на газы касаются только 28-х заданий ЕГЭ?! Как бы не так! Если газов пока еще не было в 34-х заданиях, это ничего не значит! Задач на электролиз тоже не было в ЕГЭ до 2018 года. А потом как врезали, мама не горюй! Обязательно прочитайте мою статью “Тайны задач по химии? Тяжело в учении – легко в бою!”. В этой статье очень подробно рассказывается о новых фишках на электролиз. Статья вызвала шквал самых разных эмоций у преподавателей химии. До сих пор мне и пишут, и звонят, и благодарят, и бьются в конвульсиях. Просто цирк с конями, в котором я – зритель в первом ряду.
Однако, вернемся к нашим баранам, вернее, Газам. Я прошла через огонь и воду вступительных экзаменов и знаю точно – хочешь завалить абитуриента, дай ему задачу на Газы. Почитайте на досуге сборник задач И.Ю. Белавина. Я процитирую одну такую “мозгобойню”, чтобы вам жизнь медом не казалась. Попробуйте решить.
И.Ю. Белавин, 2005, задача 229
“Два из трех газов (сероводород, водород и кислород) смешали и получили газовую смесь, плотность которой оказалась равной плотности оставшегося газа. Полученную газовую смесь вместе с равным ей объемом третьего газа под давлением поместили в замкнутый сосуд емкостью 4 л, содержавший азот при н.у. и нагревали при 600 С до окончания химических реакций, затем постепенно охладили. Определите массы веществ, содержавшихся в сосуде после охлаждения, если плотность газовой смеси в сосуде перед нагреванием равнялась 9,25г/л. (Ответ: m(S) = 7,5 г, m(SO2) = 15 г, m(Н2О) = 9 г)”
Ну как, решили? Нет?! А ваши репетиторы?! Извините, это был риторический вопрос. Кстати, мои ученики, абитуриенты 2003-2008 гг. такие задачи щелкали, как семечки, на экзаменах во 2-й медицинский (теперь РНИМУ им. Н.И. Пирогова). Надеюсь, вам понятно, что 34-м задачам ЕГЭ еще есть куда усложняться, perfectio interminatus est (нет предела совершенству), с газами нужно работать, работать и работать. Поэтому команду “Газы!” отменять рано. Итак, поехали!
Сегодня мы поговорим о газовых смесях, затронем понятие плотности газа (абсолютной и относительной), средней молярной массы, решим задачи: определение средней молярной массы и плотности газа по компонентам смеси и наоборот.
• Газовая смесь – смесь отдельных газов НЕ вступающих между собой в химические реакции. К смесям газов относятся: воздух (состоит из азота, кислорода, углекислого газа, водяного пара и др.), природный газ (смесь предельных и непредельных углеводородов, оксида углерода, водорода, сероводорода, азота, кислорода, углекислого газа и др.), дымовые газы (содержат азот, углекислый газ, пары воды, сернистый газ и др.) и др.
• Объемная доля – отношение объема данного газа к общему объему смеси, показывает, какую часть общего объема смеси занимает данный газ, измеряется в долях единицы или в процентах.
• Мольная доля – отношение количества вещества данного газа к общему количеству вещества смеси газов, измеряется в долях единицы или в процентах.
• Плотность газа (абсолютная) – определяется как отношение массы газа к его объему, единица измерения (г/л). Физический смысл абсолютной плотности газа – масса 1 л, поэтому молярный объем газа (22,4 л при н.у. t° = 0°C, P = 1 атм) имеет массу, численно равную молярной массе.
• Относительная плотность газа (плотность одного газа по другому) – это отношение молярной массы данного газа к молярной массе того газа, по которому она находится
• Средняя молярная масса газа – рассчитывается на основе молярных масс составляющих эту смесь газов и их объемных долей
Настоятельно рекомендую запомнить среднюю молярную массу воздуха Мср(в) = 29 г/моль, в заданиях ЕГЭ часто встречается.
Обязательно посетите страницу моего сайта “Изучаем Х-ОбХ-04. Закон Авогадро. Следствия из закона Авогадро. Нормальные условия. Молярный объем газа. Абсолютная и относительная плотность газа. Закон объемных отношений”и сделайте конспекты по теории. Затем возьмите бумагу и ручку и решайте задачи вместе со мной.
ВАНГУЮ: чует мое сердце, что ЕГЭ по химии 2019 года устроит нам газовую атаку, а противогазы не выдаст!
Задача 1
Определить плотность по азоту газовой смеси, состоящей из 30% кислорода, 20% азота и 50% углекислого газа.
Задача 2
Вычислите плотность по водороду газовой смеси, содержащей 0,4 моль СО2, 0,2 моль азота и 1,4 моль кислорода.
Задача 3
5 л смеси азота и водорода имеют относительную плотность по водороду 12. Определить объем каждого газа в смеси.
Несколько задач со страницы моего сайта
Задача 4
Плотность по водороду пропан-бутановой смеси равна 23,5. Определите объемные доли пропана и бутана
Задача 5
Газообразный алкан объемом 8 л (н.у.) имеет массу 14,28 г. Чему равна его плотность по воздуху
Задача 6
Плотность паров альдегида по метану равна 2,75. Определите альдегид
Ну как? Пошло дело? Если туго, вернитесь к задачам и решайте их самостоятельно до тех пор, пока не щелкнет! А для стимуляции – десерт в виде еще одной задачи И.Ю. Белавина на газы. Наслаждайтесь ее решением самостоятельно!
И.Ю. Белавин, 2005, задача 202
“Сосуд емкостью 5,6 л при н.у. заполнили метаном, затем нагрели до высокой температуры, в результате чего произошло частичное разложение метана. Определите массу образовавшейся сажи, если известно, что после приведения к нормальным условиям объем полученной газовой смеси оказался в 1,6 раза больше объема исходного метана, эта газовая смесь обесцвечивает бромную воду и имеет плотность по воздуху 0,2931. (Ответ: m(C) = 0,6 г)”
Задачи И.Ю. Белавина – это крутой драйв! Попробуйте порешать, и вы откажетесь от просмотра любых ужастиков, поскольку запасетесь адреналином надолго! Но нам нужно спуститься на землю к ЕГЭ, простому и надежному, как первый советский трактор. Кстати, у меня в коллекции припасено немало сюрпризов с газовыми фишками, собранными за все годы работы и бережно хранимыми. Думаю, пришло время сказать им: “И снова здравствуйте!”, поскольку ЕГЭ с каждым годом становится “все чудесатее и чудесатее”. Но это уже совсем другая история. Читайте мои статьи – и вы подстелите соломку под свою ЕГЭшную попу.
Вы готовитесь к ЕГЭ и хотите поступить в медицинский? Обязательно посетите мой сайт Репетитор по химии и биологии https://repetitor-him.ru. Здесь вы найдете огромное количество задач, заданий и теоретического материала, познакомитесь с моими учениками, многие из которых уже давно работают врачами. Позвоните мне +7(903)186-74-55, приходите ко мне на курс, на бесплатные Мастер-классы “Решение задач по химии”. Я с удовольствием вам помогу.
Репетитор по химии и биологии кбн В.Богунова
Источник