§ 29. Повітря — суміш газів

• дізнатися, як людина використовує властивості повітря.

З чого складається повітря. Ви вже знаєте, що повітря є повсюди довкола нас, хоча ми його й не бачимо. Воно заповнює всі порожнини, щілини й проміжки на поверхні й під землею. Розчинене повітря є й у воді, тому у водоймах можуть жити риби, які, як і більшість організмів, дихають киснем. Воно огортає всю планету. Повітря не розсіюється в космічному просторі, тому що його утримує земне тяжіння. Воно обертається разом із Землею як єдине ціле.

Повітряна оболонка довкола Землі

Мал. 88. Склад повітря

Вам уже відомо, що повітря — це суміш газів. У його складі найбільше азоту (3/4) і кисню (трохи менше 1/4). Інших газів дуже мало (мал. 88).

Кожний із газів має велике значення для життя на Землі. Кисень необхідний усьому живому для дихання. З вуглекислого газу, який у невеликій кількості є в повітрі, та води зелені рослини на світлі утворюють органічні речовини та кисень. Вуглекислий газ називають «утеплювачем»: він має здатність пропускати сонячні промені до Землі, а її тепло — затримувати. У повітрі також міститься водяна пара. Є в ньому й різні тверді домішки: пил, попіл від лісових пожеж і вулканічних вивержень, кристалики льоду і морської солі, сажа. Наприклад, над пустелями в повітрі багато пилу, над океанами — кристаликів солі, над великими містами — сажі.

Пригадайте, які властивості повітря вам уже відомі.

Повітря — це суміш газів, основні з яких — азот і кисень. У невеликій кількості в повітрі є вуглекислий газ, водяна пара та тверді домішки (пил, попіл, сажа).

Властивості повітря. Ви вже знаєте, що повітря безбарвне й прозоре. Дослідимо властивості повітря.

Дослід 1. Візьмемо порожню пластмасову пляшку з-під води, закриємо її щільно пробкою і натиснемо на неї з боків. Помітно стиснути пляшку не вдається. Це тому, що вона не порожня, як здавалося, а заповнена повітрям. Через пробку воно не може поширитися назовні. Відкриємо пробку і повторимо стиснення. Це вдається зробити без особливих зусиль.

Дослід 2. На запалену свічку спрямуємо отвір відкритої порожньої пластмасової пляшки й натиснемо на неї з боків. Побачимо, як полум’я заколивалося, хоча ми до свічки не торкалися. На нього подіяло повітря, витиснене з пляшки. Так ми перевірили, що повітря справді, як і будь-яка речовина в газуватому агрегатному стані, заповнює посудину та легко поширюється за її межі.

Дослід 3. Одну пластмасову пляшку, наповнену водою, а другу порожню щільно закриємо пробками і покладемо у миску з водою. Будемо спостерігати, як пляшка з водою швидко опуститься на дно, тоді як порожня плаватиме на поверхні. Це доводить, що повітря легке.

Ви також знаєте, що повітря можна стискати і що воно пружне (пригадайте, як гумовий м’яч, заповнений стиснутим повітрям, відскакує від підлоги). Також вам відомо, що повітря погано проводить тепло. Ця його властивість дає змогу вберегти Землю від надмірного нагрівання сонячними променями та охолодження.

Станьте дослідниками природи

Чим відрізняється ваша зимова куртка від осінньої чи літньої? У зимовій куртці є пух чи пористий матеріал синтепон. Такі матеріали вміщують між волосинками або в порожнинах багато повітря, яке зберігає ваше тепло й не пропускає холод. Отже, взимку вам не холодно в пуховому чи хутряному вбранні завдяки повітрю.

Повітря безбарвне, прозоре, легке, пружне. Воно заповнює увесь простір і погано проводить тепло.

Перевірка знань

1. Які газуваті речовини входять до складу повітря?

2. Яке значення мають кисень і вуглекислий газ для життя на Землі?

3. Доведіть, що повітря є повсюди.

4. Які властивості має повітря? Як можна довести, що воно легке?

5. Де і як людина використовує пружну здатність повітря?

6. Поміркуйте, навіщо у вікнах встановлюють подвійні рами, залишаючи проміжок між ними.

1. Повітря, його склад

Головними складовими частинами повітря є азот N 2 — 78,08 % об’єму, кисень O 2 — 20,96 % об’єму та інертні гази — 0,94 % об’єму.

Інертні гази не мають ні кольору, ні запаху, вони хімічно інертні. Їх молекули є одноатомними. До інертних газів відносяться: гелій He , неон Ne , аргон Ar , криптон Kr , ксенон Xe і радон Rn . Серед інертних газів найбільше у повітрі міститься аргону.

Повітря може містити тверді і рідкі домішки (аерозолі). Від їх кількості та виду залежать процеси поглинання і розсіювання випромінювання, утворення окремих оптичних явищ в атмосфері, тощо.

Кисень підтримує життя практично усіх живих організмів на Землі. Він є необхідним і людині, і тваринам, і рослинам. Тому необхідно зберігати чистоту повітря.

Вуглекислий газ є фізіологічним регулятором дихального центру людини і тварин. Концентрація вуглекислого газу в повітрі закритих приміщень, яка зростає одночасно із збільшенням вмісту пилу, мікроорганізмів, тощо, є головним показником забруднення повітря.

Забруднення повітря відбувається як природним шляхом, так і внаслідок господарської діяльності людини.

Оксиди Сульфуру, Нітрогену, Карбону та інші гази, які потрапляють у повітря внаслідок гниття органічних решток, виверження вулканів, роботи хімічних заводів, є забруднювачами повітря. Серед випадкових домішок у повітрі також нерідко трапляються дрібні частинки сажі й мінеральних речовин, а також різні мікроорганізми.

АТМОСФЕРА

Атмосфера — це легка газова оболонка, що оточує Землю. Незважаючи на свою невелику масу (5 · 1015 т), атмосфера займає найбільший об’єм у географічній оболонці і відіграє в ній надзвичайно велику роль. В атмосфері формується погода і клімат, вона є необхідною для розвитку різних форм життя на Землі і виконує інші важливі функції.

Атмосфера є сумішшю газів і завислих у повітрі твердих і рідких частинок. Хімічний склад сухого чистого повітря такий: азот — 78,10 %, кисень — 20,93 %, аргон — 0,93 %, вуглекислий газ — 0,03 %, водень, гелій, неон, криптон, ксенон та ін. — 0,01 %. Це співвідношення залишається незмінним на десятки кілометрів у висоту.

Важливою складовою атмосфери є водяна пара, хоча її загальний вміст не перевищує 3 %. Більша частина пари знаходиться в повітрі до висоти 3000 м. Кількість пари змінюється залежно від температури. У холодному повітрі можуть міститися долі відсотка водяної пари, а в повітрі жарких тропічних областей її кількість може досягти 4 %.

Завислі частинки в атмосфері — це леткі органічні речовини, промисловий дим і сажа, вихлопні гази машин, краплі води і кристали льоду, земний і космічний пил, вулканічний попіл тощо. Ці частинки мають в основному мікроскопічні і ультрамікроскопічні розміри, вони розсіяні в атмосфері над планетою. Всі частинки, але особливо кристалики льоду в хмарах, сприяють поглинанню, відбиттю і розсіюванню деякої частини сонячних променів. Вони виконують функції ядер (центрів), навколо яких конденсується водяна пара.

Атмосфера розвивалася разом із Землею. За сучасними уявленнями, первинна атмосфера складалася з водню і гелію — найпоширеніших елементів у космосі. Вони у великій кількості входили до складу пилово-газової хмари, з якої утворилася Земля.

На другій стадії атмосфера стала вуглекислою. Цей газ надходив, як і зараз, з надр Землі при вулканічних виверженнях, які колись були дуже інтенсивними на земній кулі. Водень і гелій були майже повністю втрачені внаслідок їх дисипації (розсіювання) під впливом розігрівання надр Землі. Вуглекисла стадія закінчилася в кам’яновугільному періоді, коли зелені рослини в процесі фотосинтезу, поглинаючи вуглець, почали виділяти в повітря вільний кисень. З кінця палеозою атмосфера набула сучасного складу.

Кисень є одним з найпоширеніших і найважливіших елементів на Землі. Він необхідний при диханні людей, тварин, численних мікроорганізмів, входить до складу білків, жирів і вуглеводів, бере активну участь у біологічному кругообігу речовини. Кисень входить до складу багатьох гірських порід і мінералів.

Азот — найпоширеніший газ в атмосфері. Крім того, він є обов’язковою складовою частиною різноманітних органічних сполук. У кругообігу азоту велику роль відіграють специфічні так звані азотфіксуючі групи мікроорганізмів. Азот — один з найважливіших елементів живлення рослин, який в значній мірі зумовлює їх продуктивність.

Якщо вміст кисню і азоту в повітрі практично незмінний протягом мільйонів років, то кількість вуглекислого газу досить непостійна. Нині його загальний вміст в повітрі збільшується внаслідок зростаючих викидів шкідливих речовин промисловими підприємствами, зменшення площ лісових масивів. У шарі повітря, що безпосередньо прилягає до поверхні Землі, кількість вуглекислого газу зазнає добових змін. Вночі його дещо більше, ніж вдень. Пояснюється це тим, що вуглекислий газ поглинається рослинами тільки в денний час. Вся рослинність земної кулі протягом року поглинає з атмосфери близько 550 млрд. т вуглекислого газу і повертає їй близько 400 млрд. т кисню.

Особливий інтерес для наукових досліджень останніми роками становить озон. Цей газ, на відміну від інших складових повітря, має специфічний приємний запах, який ми відчуваємо, наприклад, при диханні після сильної літньої зливи з численними розрядами блискавок. Озон утворюється з атмосферного кисню в основному на висотах від 15 до 50 км (з максимумом накопичення його на висотах близько 23—27 км) під дією ультрафіолетових променів Сонця. У молекулах кисню міститься по два атоми, а в молекулах озону — три. Під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця частина молекул кисню (О₂) розпадається на атоми (О) і потім окремі з них приєднуються до молекул, утворюючи трьохатомні молекули озону (О₃). При грозових розрядах теж відбувається розпад і відновлення молекул кисню, а тому в незначних кількостях утворюється і озон.

Загальна кількість озону в атмосфері незначна. Коли б можна було зібрати його в один шар при нормальному атмосферному тискові і температурі 0 °С, то товщина цього шару становила б лише 2 —3 мм. Але незважаючи на таку мізерну кількість, озон відіграє дуже важливу роль — поглинає більшу частину ультрафіолетових променів і захищає все живе на Землі від надмірного опромінювання.

Проте в останні роки встановлено, що товщина озонового шару зменшується, а над Антарктидою утворилася навіть велика озонова діра. Гадають, що це пов’язано з широким застосуванням в промисловості фреонів, виробництвом хлорної продукції, дією ракетного палива. Нині розроблена і здійснюється в багатьох країнах світу комплексна програма з охорони і відновлення як озонового шару, так і повітряної оболонки в цілому.