15 фактів про повітря: склад, вага, обсяг і швидкість

Наявність повітря – одне з ключових властивостей Землі, завдяки якому на ній існує життя. Повітря не тільки дає організмам, в тому числі і людському, можливість дихати.

Значення повітря для живих істот дуже різноманітно. За допомогою повітря живі організми пересуваються, харчуються, запасають поживні речовини, обмінюються звуковою інформацією. Навіть якщо винести дихання за дужки, виявиться, що повітря має критичне значення для всього живого. Це розуміли вже в давнину, коли вважали повітря однієї з чотирьох головних стихій.

1. Давньогрецький філософ Анаксимен вважав повітря основою всього, що існує в природі. Все починається з повітря і повітрям закінчується. Навколишні нас речовини і предмети, на думку Анаксимена, утворюються або при згущенні, або при розрідженні повітря.

2. Німецький учений і за сумісництвом бургомістр Магдебурга Отто фон Геріке першим продемонстрував силу атмосферного тиску. Коли він викачав повітря з кулі, складеного з металевих півкуль, виявилося, що роз’єднати нічим не скріплені півкулі дуже важко. Цього не вдавалося зробити навіть з’єднаними зусиллями 16 і навіть 24 коней. Пізніші підрахунки показали, що коні можуть видавати короткочасну потужність, необхідну для подолання атмосферного тиску, просто їх зусилля погано синхронізовані. У 2012 році 12 спеціально тренованих ваговозів все ж змогли роз’єднати магдебурзькі півкулі.

3. Будь-який звук передається по повітрю. Вухо вловлює коливання повітря різної частоти, і ми чуємо голоси, музику, шум транспорту або спів птахів. Вакуум, відповідно, безмовний. За словами одного літературного героя, в космосі ми не почуємо вибух наднової зірки, навіть якщо він відбудеться у нас за спиною.

4. Першим процеси горіння і окислення як з’єднання речовини з частиною атмосферного повітря (киснем) описав в кінці 18-го століття геніальний француз Антуан Лавуазьє. Кисень був відомий до нього, горіння і окислення бачили все, але ось зрозуміти суть процесу зміг тільки Лавуазьє. Він же трохи пізніше довів, що атмосферне повітря – це не особлива речовина а суміш різних газів. Вдячні співвітчизники не оцінили досягнень великого вченого (Лавуазьє, в принципі, можна вважати батьком сучасної хімії) і відправили його на гільйотину за участь в відкупах податків.

5. Атмосферне повітря це не тільки суміш газів. У ньому також присутні вода, тверді частинки і навіть безліч мікроорганізмів. Продаж баночок з етикетками «Повітря міста NN», звичайно, схожа на обдурювання, але на практиці повітря в різних місцях дійсно дуже різниться за своїм складом.

6. Повітря дуже легкий – кубометр важить трохи більше кілограма. З іншого боку, в порожній кімнаті розміром 6 Х 4 і висотою 3 метри знаходиться близько 90 кілограмів повітря.

7. З забрудненим повітрям кожна сучасна людина знайомий не з чуток. Але повітря, в якому багато твердих частинок, небезпечний не тільки для дихальних шляхів і здоров’я людини. У 1815 році відбулося виверження вулкана Тамбора, що знаходиться на одному з індонезійських островів. Найдрібніші частинки попелу були у величезній кількості (за оцінками, 150 кубічних кілометрів) викинуті в висотні шари атмосфери. Попіл вкрив всю Землю, не пропускаючи сонячні промені. Влітку 1816 за всій північній півкулі було надзвичайно холодно. У США і Канаді йшов сніг. У Швейцарії снігопади тривали все літо. У Німеччині через сильні дощі річки виходили з берегів. Ні про яку продукції сільського господарства не могло бути й мови, а привізна зерно стало в 10 разів дорожче. 1816 так і називають – «Рік без літа». У повітрі було надто багато твердих частинок.

8. Повітря «п’янить» і на великій глибині, і на великій висоті. Причини цього ефекту різні. На глибині в кров починає надходити більше азоту, а на висоті в повітрі менше кисню.

9. Існуюча концентрація кисню в повітрі оптимальна для людини. Навіть невелике зниження частки кисню негативно позначається на стані і працездатності людини. Але і підвищений вміст кисню не несе нічого хорошого. Американські астронавти спочатку дихали в кораблях чистим киснем, але при сильно зниженому (приблизно в три рази від нормального) тиску. Але перебування в такій атмосфері вимагає тривалої підготовки, та й, як показала доля «Аполлона-1» і його екіпажу, чистий кисень – справа небезпечна.

10. У прогнозах погоди, кажучи про вологість повітря, часто не беруть до визначення «відносна». Тому іноді виникають питання на кшталт: «Якщо вологість повітря 95%, то невже ми дихаємо практично однією водою?» Насправді ці відсотки вказують відношення кількості водяної пари в повітрі в даний момент до гранично можливої ​​кількості. Тобто, якщо ми говоримо про вологість 80% при температурі +20 градусів, ми маємо на увазі, що в кубічному метрі повітря міститься 80% пара від максимальних 17,3 грама – 13,84 грама.

11. Максимальна швидкість руху повітря – 408 км / год – була зафіксована на приналежному Австралії острові Барроу в 1996 році. У той час там проходив великий циклон. А над прилеглим до Антарктиди Морем Співдружності постійна швидкість вітрів складає 320 км / год. При цьому в повній тиші молекули повітря пересуваються зі швидкістю приблизно 1,5 км / год.

12. «Гроші на вітер» зовсім не означає розкидання купюр. За однією з гіпотез вираз походить від змови «на вітер», за допомогою якого накладали порчу. Тобто гроші в даному випадку платили за накладення змови. Також вираз могло статися від податку на вітер. Їм підприємливі феодали обкладали власників вітряних млинів. Повітря-то переміщається над землями лендлорда!

13. За 22 000 вдихів на добу ми споживаємо близько 20 кілограмів повітря, більшу частину якого видихаємо назад, засвоюючи практично тільки кисень. Так само поводиться і більшість тварин. А ось рослини засвоюють вуглекислий газ, а віддають кисень. П’ята частина світового кисню виробляється джунглями в басейні Амазонки.

14. У промислово розвинених країнах десята частина вироблюваної електроенергії йде на виробництво стисненого повітря. Накопичувати енергію таким чином дорожче, ніж брати її з традиційних видів палива або води, але іноді без енергії стисненого повітря не обійтися. Наприклад, при використанні відбійного молотка в шахті.

15. Якщо весь наявний на Землі повітря зібрати в кулю при нормальному тиску, діаметр кулі складе близько 2 000 кілометрів.

§ 21. Повітря, його склад і властивості

У попередніх класах ви дізналися про повітря. З деякими його властивостями ознайомилися на уроках природознавства та географії. Тепер ми продовжуємо вивчати повітря у взаємозв’язку відомих вам знань про нього та нового навчального матеріалу, що стосується саме хімії.

ЧИМ Є ПОВІТРЯ З ПОГЛЯДУ ХІМІКА? З тим, що тіла живої і неживої природи складаються з речовин, ви обізнані. Але речовини бувають різними — чистими й такими, що утворюють суміші, простими і складними, неорганічними та органічними. До яких із них належить повітря?

Розпочнемо зі складу повітря, щоб одержати відповідь на запитання, чистою речовиною чи сумішшю речовин воно є.

Вчені встановили, що близько 4 /₅ об’ємного складу сухого повітря становить газоподібна речовина азот N₂, яка не має кольору і запаху. На другому місці перебуває кисень О₂ — теж газоподібна речовина без запаху й кольору. Третіми за об’ємом у складі повітря є інертні гази, серед яких переважає аргон Аr, а на четвертому місці — вуглекислий газ СО₂. Тож відповідь однозначна — повітря є природною сумішшю газоподібних речовин. У ньому також міститься водяна пара Н₂О та деякі інші речовини, зокрема ті, що утворюють частинки пилу.

Із наявністю якої речовини у повітрі пов’язані виникнення вранішньої роси на траві та туману?

З’ясуємо, до простих чи складних речовин належать компоненти повітря. Погляньте на якісний склад наведених у тексті параграфа формул компонентів повітря, і ви побачите серед них три формули простих речовин і дві формули складних. Отже, повітря — це природна газоподібна суміш простих і складних речовин.

І нарешті третє запитання — до неорганічних чи органічних речовин належать компоненти повітря?

Пригадайте, які речовини називають органічними. Чи є вони серед компонентів повітря?

Безперечно, прості речовини не можуть бути органічними. Вуглекислий газ відносять до неорганічних речовин, хоча він містить Карбон. От ми й дістали відповідь на останнє поставлене запитання: складові повітря є неорганічними речовинами.

• Повітря — це природна однорідна суміш газоподібних неорганічних речовин азоту, кисню, інертних газів, вуглекислого газу, парів води та в невеликій кількості деяких інших речовин.

Те, що у складі повітря є газоподібні речовини — азот, кисень і вуглекислий газ, установив французький учений Антуан Лавуазьє у 1774 році.

КІЛЬКІСНИЙ СКЛАД ПОВІТРЯ. З’ясувавши якісний склад повітря, розглянемо кількісний, скориставшись діаграмою (мал. 73).

Мал. 73. Об’ємний склад повітря

Зверніть увагу, що на два компоненти — азот і кисень — припадає 99 % складу повітря. І наведені дані у тексті параграфа, і діаграма доводять, що основна складова повітря — азот. Походження назви доволі цікаве: «зоо» — життя, префікс «а» — заперечення. Так його спершу назвали через те, що він не бере участі у важливому процесі живої природи — диханні. Однак на сьогодні думка щодо азоту змінилася. Його розглядають як важливу для живої природи речовину. Це тому, що всі білкові молекули у своєму складі містять Нітроген.

Близько 1/5 складу повітря припадає на кисень. У тому, що це насправді так, переконує нескладний дослід. Помістимо в посудину з водою свічку на легкій підставці. Підпалимо ґніт і накриємо свічку циліндром із попередньо розміченим на п’ять рівних частин простором над водою. Поки в циліндрі є кисень — полум’я горить (мал. 74, а). Під час горіння кисень поступово витрачається, і об’єм, який він займав, заповнює вода. Спостерігаємо, як вода в циліндрі піднімається. Коли кисню в циліндрі не залишиться, свічка згасне. Виявиться, що вода піднялася приблизно на одну поділку (мал. 74, б).

Мал. 74. Дослід, що підтверджує кількісний вміст кисню у повітрі

Вуглекислого газу, на перший погляд, у повітрі дуже мало — менше, ніж неактивних інертних газів. Але, якщо зважати на великий об’єм повітряної оболонки Землі, стає зрозумілим, що його цілком достатньо для фотосинтезу.

Пригадайте, що називають фотосинтезом.

ВЛАСТИВОСТІ ПОВІТРЯ. Розглянемо фізичні властивості повітря. Повітря не має кольору й запаху, тому для нас воно невидиме. Та в існуванні його навколо нас легко переконатися. Візьміть аркуш паперу й зробіть ним кілька помахів на відстані 10-15 см від свого обличчя. Ви одразу ж відчуєте рух спрямованого на нього повітря.

Пригадайте з географії, яке відношення до виникнення та існування вітрів має повітря.

Як і все, що існує на Землі, повітря має певну масу. Пересвідчитись у цьому можна за допомогою такого досліду. На кінцях імпровізованих терезів урівноважено дві пусті повітряні кульки (мал. 75, а). Після цього одну з кульок наповнили повітрям, щільно зав’язали ниткою та знову прив’язали до терезів. Рівновага порушилась, шалька з кулькою, наповненою повітрям, опустилася нижче (мал. 75, б).

Мал. 75. Дослід, який доводить, що повітря має масу

Встановлено, що за нормальних умов (температурі 0 °С і тиску 101,33 кПа, або 1 атм) маса повітря об’ємом 1 л дорівнює 1,29 г, тоді як маса 1 л води — 1000 г (мал. 76).

Мал. 76. Склянки об’ємом 1 л із повітрям (а) і водою (б) мають різну масу

Для того, щоб перевести газоподібне повітря у рідкий агрегатний стан, необхідна температура -192,0 °С. Як і всі гази та рідини, воно не має власної форми, а тому повністю заповнює доступніш йому простір. Тобто повітря — всюдисуща суміш газів. Ми говоримо «порожня чашка», «порожня ваза», «порожня пляшка», не замислюючись над тим, що насправді вони «повні», а точніше, наповнені повітрям. У цьому переконує занурення порожньої пляшки у посудину з водою. Набагато важча за повітря вода витісняє його з пляшки, й ми бачимо, як бульбашки повітря виходять із неї.

За здатністю розчинятися у воді повітря належить до погано розчинних сумішей. Так, в 1 л води розчиняється 0,02918 л повітря. Але навіть такої невеликої кількості достатньо для дихання риб, багатьох інших мешканців водойм.

Із підвищенням температури здатність повітря розчинятись у воді зменшується. Можна спостерігати, як із холодної води у прозорій вазі з квітами за кімнатної температури виділяються дрібні пухирці повітря й осідають на внутрішній поверхні посудини та рослинах (мал. 77).

Мал. 77. Виділення пухирців повітря з холодної води при підвищенні температури

У повітрі добре поширюється звук. Якби астронавти, що побували на Місяці, спробували звично поговорити між собою, у них би нічого не вийшло. Це тому, що на Місяці звук не поширюється через брак у супутника Землі повітряної оболонки.

Проте тепло у повітрі поширюється погано. Ось чому у вікнах вставляють подвійні, а в сучасних — навіть потрійні шибки. Розташоване між ними повітря допомагає зберігати тепло у приміщеннях. Невипадково на зиму у птахів густішає пір’я, а у звірів хутро. Між їхніми ворсинками теж затримується повітря і зменшує тепловіддачу тіла.

Повітря пружне. У цьому переконує дослід. Якщо наповнену повітрям кульку стиснути з боків, у місці здавлювання з’явиться заглиблення. Як тільки припинити стиснення, кулька завдяки пружності повітря набуде попередньої форми.

Скарбничка ерудита

Ви вже знаєте, що у суміші кожний компонент зберігає свої властивості. Однією з властивостей повітря є різні температури переходу його компонентів із рідкого агрегатного стану у газоподібний і навпаки.

На здатності повітря переходити при охолодженні з газоподібного стану у рідкий та різній температурі випаровування окремих його компонентів ґрунтується промислове добування азоту, кисню, аргону з рідкого повітря. Зі зрідженого повітря при його нагріванні спершу випаровується азот, а потім аргон. У результаті залишається майже чистий кисень.

До фізичних чи до хімічних явищ належить промисловий спосіб добування кисню з рідкого повітря?

ДОСЛІДЖУЄМО НА УРОЦІ ТА ВДОМА

Дослід 1. Щільно закрийте пробкою порожню пластмасову пляшку з-під мінеральної води й покладіть у морозильну камеру холодильника. За кілька годин дістаньте пляшку й роздивіться, як змінилася її форма. Спостерігайте, які зміни відбудуться з формою пляшки після того, як на кілька годин залишити її в кімнаті.

Спробуйте пояснити зміни форми пляшки, пам’ятаючи про особливість газуватого агрегатного стану речовин.

Дослід 2. Наповніть посудину, наприклад, миску на 3/4 водою. Візьміть прозору пластмасову пляшку і повністю занурте її у воду. Спостерігайте за появою бульбашок, які виходять із пляшки . Дайте пояснення такому явищу.

1. Що називають повітрям? Назвіть речовини, що є постійними у його складі.

2. Назвіть відомі вам властивості повітря.

3. Поясніть, чому з холодної води з підвищенням температури виділяється повітря.

4. Який дослід доводить, що повітря має масу?

5. Запишіть символи й назви хімічних елементів, що утворюють речовини, які входять до складу повітря.

6. Запропонуйте спосіб дізнатися, у якого компонента повітря — азоту чи вуглекислого газу — більша відносна молекулярна маса.

7. Обчисліть масову частку Карбону у вуглекислому газі.

8*. Запропонуйте, як експериментально довести, який газ — азот чи кисень — важчий.

9. Розташуйте компоненти повітря за збільшенням їх умісту в цій природній суміші.

• А кисень
• Б азот
• В аргон
• Г вуглекислий газ

10. Чому повітря відносять до сумішей, а не до чистих речовин. Наведіть докази.

11*. Для проведення досліду взяли 2 хімічні стакани однакового об’єму. У перший налили 100 мл гарячої води, у другий — стільки ж холодної. Вкажіть правильний варіант відповіді щодо наявності розчиненого повітря у вмісті стаканів.

• А вода в обох стаканах не містить розчиненого повітря
• Б в першому стакані міститься більше розчиненого у воді повітря
• В у другому стакані міститься більше розчиненого у воді повітря
• Г в обох хімічних стаканах розчиненого у воді повітря порівну

Скориставшись додатковими джерелами, дізнайтеся більше про відкриття складу повітря Одержану інформацію обговоріть у групах.