§ 12. Воздух и его состав

Естественная многокомпонентная гомогенная смесь газов, образующая атмосферную оболочку Земли.

• Впервые количественный состав воздуха был экспериментально установлен французским учёным А. Лавуазье в 1774 году в опыте по 12-дневному нагреванию ртути в запаянной реторте под колоколом
• Главные компоненты сухого воздуха у поверхности Земли: азот N₂ — около 78% по объёму (4/5 объёма), кислород O₂ — около 21% по объёму (1/5 объёма)
• Постоянные микрокомпоненты: благородный газ аргон Ar — около 0,9% (0,93%), углекислый газ CO₂ — около 0,03% (в городах до 0,04%), неон, гелий, криптон, ксенон, озон, водяной пар и микропримеси — суммарно около 0,07%

Безразмерная физическая величина, равная отношению объёма отдельного газа-компонента к общему объёму всей газовой смеси.

• Обозначается строчной греческой буквой φ («фи»)
• Выражается в долях единицы или в процентах (%)
• Показывает, какую часть общего объёма газовой смеси занимает данный конкретный газ при одинаковых физических условиях (температуре и давлении)

Фундаментальное математическое соотношение:

$$\varphi(\text{газа}) = \frac{V(\text{газа})}{V(\text{смеси})} \cdot 100\%$$

• Из базовой формулы выводятся формулы расчёта объёмов:
• Объём газа-компонента в смеси: $V(\text{газа}) = V(\text{смеси}) \cdot \varphi(\text{газа})$
• Общий объём всей газовой смеси: $V(\text{смеси}) = \frac{V(\text{газа})}{\varphi(\text{газа})}$
• Сумма объёмных долей всех газов, образующих смесь, всегда строго равна 1 (или 100%)

Типовые расчётные стехиометрические задачи химии газовых смесей:

• 1. Расчёт объёмной доли компонентов по заданным физическим объёмам газов
• 2. Нахождение объёма индивидуального газа (кислорода, азота, аргона), содержащегося в заданном объёме атмосферного воздуха
• 3. Нахождение объёма воздуха или природного газа, необходимого для извлечения заданного количества целевого газа

Выдающийся французский естествоиспытатель и химик, один из основоположников современной химии, экспериментально доказавший сложный состав атмосферного воздуха и опровергший теорию флогистона.

• В 1774 году провёл знаменитый классический опыт по 12-дневному непрерывному нагреванию ртути в запаянной стеклянной реторте, доказав, что атмосферный воздух является смесью газов, а не простым веществом.
• Экспериментально установил, что при связывании кислорода ртутью в виде красных окалин оксида уровень жидкости в колоколе поднимается на одну пятую объёма, а оставшиеся четыре пятых занимает непригодный для дыхания азот.
• Создал строгую количественную кислородную теорию горения и дыхания, окончательно опровергнув многовековое натурфилософское учение о воздухе как неделимой первичной стихии.

Выражение «молекула воздуха» с научной точки зрения абсолютно некорректно, так как воздух не является индивидуальным химическим веществом со строго определённой химической формулой. Воздух — это смесь различных самостоятельных веществ (газов), каждое из которых состоит из собственных молекул (молекулы азота N₂, кислорода O₂, углекислого газа CO₂, воды H₂O) или свободных атомов (благородный газ аргон Ar). Молекул «воздуха как единого вещества» в природе не существует.

Объёмной долей компонента газовой смеси (φ) называют безразмерную физическую величину, равную отношению объёма данного газа к общему объёму всей газовой смеси. Она выражается в долях единицы или в процентах и рассчитывается по формуле:

$$\varphi(\text{газа}) = \frac{V(\text{газа})}{V(\text{смеси})} \cdot 100\%$$

1. Объёмный состав чистого сухого воздуха:

• Азот (N₂) — 78%;
• Кислород (O₂) — 21%;
• Аргон (Ar) — 0,9%;
• Углекислый газ (CO₂) — 0,03%;
• Прочие газы (неон, гелий, криптон, метан, водород и др.) — 0,07%.

2. Изменение состава в закрытом кабинете во время урока:

В процессе дыхания находящихся в закрытом помещении учеников непрерывно расходуется кислород (вдыхаемый воздух содержит 21% O₂, а выдыхаемый — около 16% O₂) и выделяются продукты метаболизма — углекислый газ и водяные пары (в выдыхаемом воздухе содержится около 4% CO₂ вместо 0,03%). В результате в непроветриваемом кабинете объёмная доля кислорода постепенно снижается, а объёмная доля углекислого газа и влажность воздуха существенно возрастают, что вызывает духоту, утомляемость и требует обязательного регулярного проветривания на переменах.

Дано:

$\varphi(\text{Ar}) = 0{,}9\% = 0{,}009$

$V(\text{Ar}) = 125\text{ м}^3$

Найти:

$V(\text{воздуха}) - ?$

Решение:

Используем базовую формулу объёмной доли компонента:

$$\varphi(\text{Ar}) = \frac{V(\text{Ar})}{V(\text{воздуха})}$$

Выражаем общий объём необходимого воздуха:

$$V(\text{воздуха}) = \frac{V(\text{Ar})}{\varphi(\text{Ar})} = \frac{125\text{ м}^3}{0{,}009} \approx 13888{,}89\text{ м}^3$$

Ответ: для получения $125\text{ м}^3$ аргона необходимо переработать примерно $13889\text{ м}^3$ воздуха.

Дано:

$V(\text{N}_2) = 500\text{ м}^3$

$\varphi(\text{N}_2) = 78\% = 0{,}78$

$\varphi(\text{O}_2) = 21\% = 0{,}21$

$\varphi(\text{CO}_2) = 0{,}03\% = 0{,}0003$

Найти:

$V(\text{O}_2)\text{ (л)} - ?$, $V(\text{CO}_2)\text{ (л)} - ?$

Решение:

• Находим общий объём разделённого воздуха:

$$V(\text{воздуха}) = \frac{V(\text{N}_2)}{\varphi(\text{N}_2)} = \frac{500\text{ м}^3}{0{,}78} \approx 641{,}026\text{ м}^3$$

• Рассчитываем объём полученного кислорода:

$$V(\text{O}_2) = V(\text{воздуха}) \cdot \varphi(\text{O}_2) = 641{,}026\text{ м}^3 \cdot 0{,}21 \approx 134{,}615\text{ м}^3$$

Переводим объём в литры ($1\text{ м}^3 = 1000\text{ л}$):

$$V(\text{O}_2) = 134{,}615 \cdot 1000\text{ л} \approx 134615\text{ л}$$

• Рассчитываем объём полученного углекислого газа:

$$V(\text{CO}_2) = V(\text{воздуха}) \cdot \varphi(\text{CO}_2) = 641{,}026\text{ м}^3 \cdot 0{,}0003 \approx 0{,}1923\text{ м}^3$$

Переводим объём в литры:

$$V(\text{CO}_2) = 0{,}1923 \cdot 1000\text{ л} \approx 192{,}3\text{ л}$$

Ответ: получено примерно $134615\text{ л}$ кислорода и $192{,}3\text{ л}$ углекислого газа.

Дано:

$\varphi(\text{CH}_4) = 92\% = 0{,}92$

$V(\text{CH}_4) = 300\text{ мл}$

Найти:

$V(\text{газовой смеси}) - ?$

Решение:

Используем формулу для объёма смеси:

$$V(\text{газовой смеси}) = \frac{V(\text{CH}_4)}{\varphi(\text{CH}_4)} = \frac{300\text{ мл}}{0{,}92} \approx 326{,}09\text{ мл}$$

Ответ: $300\text{ мл}$ метана содержится примерно в $326{,}1\text{ мл}$ природного газа.

Дано:

$V(\text{O}_2) = 16\text{ л}$

$V(\text{CO}_2) = 12\text{ л}$

Найти:

$\varphi(\text{O}_2) - ?$, $\varphi(\text{CO}_2) - ?$

Решение:

• Находим общий объём полученной газовой смеси:

$$V(\text{смеси}) = V(\text{O}_2) + V(\text{CO}_2) = 16\text{ л} + 12\text{ л} = 28\text{ л}$$

• Находим объёмную долю кислорода в смеси:

$$\varphi(\text{O}_2) = \frac{V(\text{O}_2)}{V(\text{смеси})} \cdot 100\% = \frac{16\text{ л}}{28\text{ л}} \cdot 100\% = \frac{4}{7} \cdot 100\% \approx 57{,}14\%$$

• Находим объёмную долю углекислого газа в смеси:

$$\varphi(\text{CO}_2) = \frac{V(\text{CO}_2)}{V(\text{смеси})} \cdot 100\% = \frac{12\text{ л}}{28\text{ л}} \cdot 100\% = \frac{3}{7} \cdot 100\% \approx 42{,}86\%$$

(Проверка: $57{,}14\% + 42{,}86\% = 100\%$).

Ответ: в полученной смеси объёмная доля кислорода $\varphi(\text{O}_2) \approx 57{,}14\%$, объёмная доля углекислого газа $\varphi(\text{CO}_2) \approx 42{,}86\%$.