Воздух и его состав

Воздух окружает нас постоянно, хотя обычно мы его не замечаем. Он заполняет комнату, находится между деревьями в лесу, над морями и городами, входит в состав атмосферы Земли. Воздух нельзя назвать одним веществом: это смесь разных газов. Именно такой состав делает земную воздушную оболочку подходящей для жизни растений, животных и человека.

Что называют воздухом

Воздух — это естественная смесь газов, окружающая поверхность Земли и составляющая нижнюю часть атмосферы. У него нет собственной постоянной формы: он принимает форму пространства, в котором находится. Если надуть мяч или воздушный шар, воздух займёт место внутри него. Если открыть окно, наружный и комнатный воздух начнут перемешиваться.

Главные компоненты воздуха существуют в виде очень маленьких частиц — молекул и атомов. Они непрерывно движутся и сталкиваются друг с другом. Между частицами газа есть большие по сравнению с их размерами промежутки, поэтому воздух можно заметно сжимать.

Из каких газов состоит сухой воздух

Для сравнения состава учёные часто говорят о сухом воздухе, то есть о воздухе без учёта водяного пара. Вблизи поверхности Земли его основные компоненты распределяются примерно так:

Цифры округлены, чтобы их было удобно использовать в школьном докладе. Особенно важно помнить: значения около 78% и 21% относятся прежде всего к сухому воздуху. В реальном воздухе почти всегда присутствует ещё и водяной пар, поэтому доли компонентов немного меняются.

Почему азота так много

Азот — самый распространённый газ земной атмосферы. Его молекула состоит из двух атомов азота и обозначается N₂. При обычных условиях этот газ довольно малоактивен. Человек и животные не могут просто вдохнуть молекулярный азот и использовать его как пищу. Однако сам химический элемент азот жизненно необходим: он входит в состав белков и наследственного материала клеток.

В природе действует круговорот азота. Некоторые микроорганизмы помогают переводить атмосферный азот в соединения, доступные растениям. Растения получают их главным образом из почвы, затем азот переходит к животным по пищевым цепям. После отмирания организмов и разложения веществ часть азота продолжает круговорот и в итоге может возвращаться в атмосферу.

Кислород — не самый многочисленный, но жизненно важный газ

Кислород составляет примерно пятую часть сухого воздуха. Для человека это привычный газ, но его роль огромна. Кислород участвует в клеточном дыхании: клетки получают возможность высвобождать энергию из питательных веществ. Этой энергией организм пользуется для движения, роста, работы мозга, сердца и других органов.

Кислород также поддерживает горение. Поэтому свеча под плотно закрытой ёмкостью через некоторое время гаснет: доступ свежего воздуха прекращается, а кислород расходуется. Такие опыты с огнём дети не должны проводить самостоятельно — демонстрации выполняют только взрослые с соблюдением правил безопасности.

Аргон и другие малые компоненты

Аргон занимает третье место среди газов сухого воздуха, хотя его доля меньше одного процента. Это благородный, или инертный, газ. Он слабо вступает в реакции, поэтому в повседневных природных процессах не так заметен, как кислород или углекислый газ.

В атмосфере есть и совсем малые количества других газов. Неона и гелия намного меньше, чем аргона. Метана тоже мало, но он важен для климата, потому что относится к парниковым газам. Озон встречается в разных частях атмосферы: в стратосфере область повышенной концентрации озона образует озоновый слой, поглощающий значительную часть опасного ультрафиолетового излучения Солнца.

Водяной пар: часть воздуха, которая постоянно меняется

Водяной пар — это вода в газообразном состоянии. Его нельзя путать с белым облачком над чайником: видимый «пар» состоит в основном из мельчайших капелек жидкой воды, а настоящий водяной пар невидим.

Количество водяного пара в атмосфере неодинаково. Над тёплым океаном и во влажную погоду его обычно больше, над холодными или очень сухими районами — меньше. В нижней атмосфере его доля может меняться от почти нулевой до нескольких процентов. Именно поэтому состав реального влажного воздуха нельзя представить одной неизменной таблицей.

Водяной пар участвует в круговороте воды. Вода испаряется с поверхности океанов, рек, озёр, почвы и растений, переносится воздушными потоками, конденсируется, образует облака и возвращается на поверхность в виде дождя, снега и других осадков.

Есть ли в воздухе что-нибудь кроме газов

Да. Настоящий атмосферный воздух содержит не только газовые молекулы. В нём могут находиться мельчайшие твёрдые и жидкие частицы — аэрозоли. Это морская соль, пыль, пыльца растений, частицы дыма, капельки жидких веществ, вулканический пепел и другие примеси.

Некоторые частицы имеют естественное происхождение, другие появляются или становятся многочисленнее из-за деятельности человека. Их влияние различно. Например, частицы могут участвовать в образовании облачных капель. Но загрязняющие частицы и вредные газы способны ухудшать качество воздуха и отрицательно действовать на здоровье.

Почему состав воздуха не абсолютно одинаков везде

Основные газы нижней атмосферы хорошо перемешиваются, поэтому доли азота и кислорода во многих местах близки. Но «воздух в целом» всё равно меняется. Причины просты:

• влажность в пустыне, лесу и на морском побережье различается;
• растения, почва, океан и живые организмы постоянно обмениваются газами с атмосферой;
• пожары, извержения вулканов и пыльные бури добавляют частицы и газы;
• транспорт, промышленность и отопление могут загрязнять воздух;
• с высотой уменьшаются плотность и атмосферное давление, а в самых верхних областях меняется и состав частиц.

Поэтому учёные различают основные относительно постоянные компоненты и переменные примеси. Для школьного ответа достаточно помнить состав сухого воздуха и отдельно сказать о водяном паре и аэрозолях.

Как люди узнали, что воздух — смесь

Долгое время воздух воспринимали как нечто единое. Развитие химии показало, что в нём есть разные газы с разными свойствами. Опытами учёные установили роль кислорода в дыхании и горении, исследовали азот, открыли благородные газы, научились точно измерять даже вещества, присутствующие в очень малых концентрациях.

Сегодня состав атмосферы контролируют наземные станции, лаборатории, метеорологические приборы, воздушные шары и спутники. Исследователи следят не только за обычными компонентами, но и за загрязняющими веществами, водяным паром, озоном, углекислым газом и другими газами, влияющими на погоду, климат и здоровье людей.

Почему небольшое количество газа может иметь большое значение

Иногда кажется: если вещества в воздухе меньше одного процента, оно почти неважно. Это неверно. Значение определяется не только количеством, но и свойствами вещества.

Углекислого газа намного меньше, чем кислорода, однако он нужен растениям для фотосинтеза и участвует в естественном парниковом эффекте. Озона тоже очень мало, но стратосферный озон играет важную защитную роль. Некоторые загрязнители опасны даже при небольших концентрациях. Поэтому учёные измеряют не только самые многочисленные газы.

Воздух и жизнь связаны круговоротами веществ

Атмосфера не является отдельной «коробкой» над планетой. Она постоянно взаимодействует с водой, почвой, горными породами и живыми организмами. Растения при фотосинтезе поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Организмы используют кислород при дыхании и выделяют углекислый газ. Океан способен поглощать и отдавать газы. Микроорганизмы участвуют в превращениях соединений азота.

Благодаря таким обменам вещества перемещаются между частями природы. Поэтому, изучая воздух, мы одновременно узнаём о круговороте воды, углерода, азота и о работе экосистем.

Как меняется воздух с высотой

Поднимаясь в горы, человек оказывается там, где давление и плотность воздуха ниже. Это не означает, что доля кислорода внезапно исчезает: в нижних десятках километров основные газы хорошо перемешаны. Но в каждом литре разреженного воздуха находится меньше молекул вообще, а значит, и меньше молекул кислорода. Поэтому на большой высоте дышать труднее.

В верхних слоях атмосферы условия меняются ещё сильнее. Там воздух настолько разрежен, что привычное представление о плотной газовой смеси постепенно перестаёт работать. Именно поэтому состав воздуха у поверхности нельзя без оговорок переносить на всю атмосферу до космоса.

Что можно наблюдать самому без сложных приборов

Сам воздух невидим, но его присутствие легко обнаружить по действию. Надутый шар сохраняет объём, ветер двигает листья, перевёрнутый стакан в воде удерживает внутри воздушный пузырь. Велосипедная шина становится упругой после накачивания, потому что внутри находится сжатый воздух.

Эти наблюдения показывают, что воздух занимает место и оказывает давление. Но они не позволяют определить точный химический состав. Для этого требуются специальные методы анализа.

Главное, что нужно запомнить

• воздух — не одно вещество, а смесь газов;
• в сухом воздухе больше всего азота — примерно 78%;
• кислорода около 21%;
• аргона немного меньше 1%;
• углекислого газа и других газов гораздо меньше, но некоторые из них очень важны;
• содержание водяного пара меняется в зависимости от условий;
• в воздухе также могут быть пыль, соль, дым, пыльца и другие аэрозоли.

Краткий план доклада

1. Что называют воздухом.
2. Основные газы сухого воздуха.
3. Значение азота и кислорода.
4. Водяной пар и его изменчивость.
5. Аэрозоли и примеси в атмосфере.
6. Почему даже малые компоненты важны.
7. Связь воздуха с живой природой.

Вывод

Воздух — сложная природная смесь, в которой преобладают азот и кислород. К ним добавляются аргон, углекислый газ, водяной пар и множество веществ в очень малых количествах. Постоянный обмен между атмосферой, водой, почвой и организмами делает воздух частью единой системы Земли. Знание его состава помогает понять дыхание, фотосинтез, погоду, круговороты веществ и необходимость сохранять чистоту атмосферы.