§ 12. Воздух и его состав

ИСТОРИЧЕСКИЙ ОПЫТ АНТУАНА ЛАВУАЗЬЕ (1774 Г.)

На протяжении тысячелетий со времён античной натурфилософии Аристотеля воздух считался первичным неделимым элементом — одной из четырёх священных «стихий» природы (наряду с огнём, водой и землёй). Это вековое заблуждение было научно опровергнуто в 1774 году выдающимся французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье.

Лавуазье сконструировал уникальную установку: стеклянную реторту с изогнутым горлом он соединил со стеклянным колоколом, опущенным в чашу с жидкой ртутью. В реторту было налито строго отмеренное количество ртути, а под колоколом изолирован известный объём воздуха. Эксперимент продолжался непрерывно 12 суток при умеренном нагревании реторты на печи.

В ходе многодневного опыта на блестящей поверхности ртути образовались красновато-оранжевые чешуйки («окалины» — оксида ртути), а уровень ртути внутри колокола поднялся ровно на 1/5 от первоначального объёма воздуха (около 20%). Газ, оставшийся под колоколом (4/5 объёма), Лавуазье подверг тщательному исследованию: горящая свеча в нём мгновенно гасла, а подопытные мыши задыхались и погибали. Учёный назвал этот инертный газ «азотом» (от греческого «азоос» — безжизненный). Нагрев затем полученные красные чешуйки оксида ртути до более высокой температуры, Лавуазье выделил чистый газ, в котором свеча вспыхивала ослепительным пламенем, а дыхание было лёгким — кислород. Опыт неопровержимо доказал: воздух — это не простое вещество, а смесь газов, состоящая приблизительно из 4/5 азота и 1/5 кислорода.

КОМПОНЕНТНЫЙ СОСТАВ СОВРЕМЕННОЙ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ

Воздух представляет собой природную гомогенную (однородную) смесь газообразных веществ. По этой причине в научной химии выражение «молекула воздуха» признано грубой ошибкой: в природе нет индивидуального химического соединения с формулой «воздух», существуют лишь отдельные молекулы газов, входящих в его состав.

В сухом чистом воздухе у поверхности Земли содержатся следующие компоненты:

• Азот (N₂) — около 78% по объёму. Главный компонент атмосферы, играющий роль природного инертного разбавителя кислорода: если бы атмосфера состояла из чистого кислорода, любой случайный пожар приводил бы к катастрофическому всепожирающему выгоранию планеты.
• Кислород (O₂) — около 21% по объёму. Жизненно важный газ, поддерживающий биологическое дыхание аэробных организмов и процессы горения топлива.
• Инертные (благородные) газы — около 0,94% по объёму, из которых преобладающую часть составляет аргон (Ar, около 0,9%), а также неон, гелий, криптон и ксенон.
• Углекислый газ (CO₂) — около 0,03% по объёму (в промышленных центрах и непроветриваемых аудиториях до 0,04–0,05%). Необходим растениям для фотосинтеза и участвует в создании парникового эффекта, защищающего Землю от космического холода.
• Остальные 0,07% приходятся на микропримеси: водяной пар, озон, водород и микрочастицы минеральной пыли.

ОБЪЁМНАЯ ДОЛЯ ГАЗА (φ) И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ РАСЧЁТЫ

Количественное содержание любого компонента в газовой смеси оценивают с помощью физической величины — объёмной доли, обозначаемой строчной греческой буквой φ («фи»).

Объёмной долей компонента газовой смеси называют отношение объёма данного газа к общему объёму всей газовой смеси:

φ(газа) = V(газа) / V(смеси) (в долях единицы)

φ(газа) = (V(газа) / V(смеси)) · 100% (в процентах)

Из этой фундаментальной формулы выводятся рабочие расчётные формулы:

• Объём компонента в смеси: V(газа) = V(смеси) · φ(газа)
• Общий объём всей смеси: V(смеси) = V(газа) / φ(газа)
• Сумма объёмных долей всех газов смеси всегда строго равна 1 (или 100%): φ(N₂) + φ(O₂) + φ(Ar) + φ(CO₂) + ... = 100%.

Типовые примеры расчётов:

1. Нахождение объёмной доли по объёмам: если при фракционном разделении 100 л воздуха получено 78 л азота, 21 л кислорода, 0,9 л (900 мл) аргона и 0,03 л (30 мл) углекислого газа, то объёмная доля азота составляет 78 / 100 = 0,78 (78%), кислорода — 21%, аргона — 0,9%, углекислого газа — 0,03%.
2. Нахождение объёма газа в помещении: в школьном спортивном зале объёмом 400 м³ абсолютный объём углекислого газа равен: V(CO₂) = 400 м³ · 0,0003 = 0,12 м³ = 120 литров.
3. Нахождение объёма воздуха по компоненту: чтобы на криогенной установке извлечь 30 литров чистого аргона, необходимо переработать объём воздуха, равный: V(воздуха) = 30 л / 0,009 ≈ 3330 литров.
4. Атмосфера Марса: атмосфера «Красной планеты» на 95,32% состоит из углекислого газа (φ = 0,9532). Тот объём CO₂ (0,15 м³), который содержится в огромном объёме земного воздуха (500 м³), на Марсе заключён всего в 0,15 м³ / 0,9532 ≈ 0,1574 м³ атмосферного газа.

ГАЗООБМЕН ПРИ ДЫХАНИИ ЧЕЛОВЕКА И ГИГИЕНА ВОЗДУХА

Человеческий организм непрерывно меняет химический состав окружающего воздуха. В лёгких человека происходит диффузия газов через мембраны альвеол:

• Вдыхаемый воздух: содержит обычные атмосферные пропорции — 78% азота, 21% кислорода и всего 0,03% углекислого газа;
• Выдыхаемый воздух: концентрация кислорода снижается до 16%, азот остаётся практически неизменным (~78%), а содержание углекислого газа возрастает более чем в 100 раз — до 4% (также существенно увеличивается влажность за счёт водяных паров).

Если в закрытом школьном классе находится 25–30 учеников, за один урок в объёме комнаты концентрация кислорода падает, а содержание CO₂ резко возрастает. При повышении углекислого газа выше 0,1% у человека притупляется внимание, появляется сонливость, вялость и головная боль. Именно поэтому регулярное сквозное проветривание учебных помещений на переменах — это не просто школьное правило, а научно обоснованная физиологическая необходимость для полноценной работы мозга.