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空氣

(地球周圍氣體)

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空氣(Air),我們每天都呼吸着的“生命氣體”,它分層覆蓋在地球表面,透明且無色無味,它主要由氮氣氧氣組成,對人類的生存和生產有重要影響。
空氣是指地球大氣層中的混合氣體,因此空氣屬於混合物,它主要由氮氣氧氣稀有氣體(氦、氖、氬、氪、氙、氡),二氧化碳以及其他物質(如水蒸氣、雜質等)組合而成。其中氮氣的體積分數約為78%,氧氣的體積分數約為21%,稀有氣體、氬、)的體積分數約為0.934%,二氧化碳的體積分數約為0.04%(2017年數據),其他物質(如水蒸氣、雜質等)的體積分數約為0.002%。空氣的成分不是固定的,隨着高度的改變、氣壓的改變,空氣的組成比例也會改變。但是長期以來人們一直認為空氣是一種單一的物質,直到後來法國科學家拉瓦錫通過實驗首先得出了空氣是由氧氣和氮氣組成的結論。19世紀末,科學家們又通過大量的實驗發現,空氣裏還有、氙等稀有氣體。
在自然狀態下空氣是無色無味的。
空氣中的氧氣對於所有需氧生物來説是必須的。所有動物都需要呼吸氧氣,綠色植物的呼吸作用也需要氧氣。此外綠色植物利用空氣中的二氧化碳進行光合作用,空氣幾乎是所有植物所需二氧化碳的唯一來源。
中文名
空氣
外文名
air、atmosphere
分子量
28.959(平均)
水溶性
微溶
密    度
約 1.293 kg/m³
外    觀
無色透明

空氣物理性質

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空氣無色無味,氣態。
在0℃及一個標準大氣壓下(1.013×105 Pa)空氣密度為1.29 kg/m³ 。把氣體在0℃和一個標準大氣壓下的狀態稱為標準狀態,空氣在標準狀態下可視為理想氣體,其摩爾體積為22.4L/ mol。
空氣的比熱容與温度有關,温度為250K時,空氣的定壓比熱容cp=1.003kJ/(kg·K),300K時,空氣的定壓比熱容cp=1.005kJ/(kg·K)。
空氣的阻抗約為377歐姆。
常温下的空氣是無色無味的氣體,液態空氣則是一種易流動的淺藍色液體。一般當空氣被液化時二氧化碳已經清除掉,因而液態空氣的組成是20.95%氧,78.12%氮和0.93%氬,其它組分含量甚微,可以略而不計。
在標準狀態下在空氣的聲速為331.5m/s。
乾燥空氣的摩爾質量為28.9634g/mol。
在標準狀態下空氣對可見光的折射率約為1.00029。它隨氣壓、氣温和空氣成分變化。尤其濕度對於折射率的影響比較大,相應地光速在空氣中也隨之改變。
比熱容:
不含水蒸氣的空氣被稱為幹空氣。幹空氣的氣體常數為2.8704×106,平均分子量=28.966,定壓比熱=7R/2=0.240 cal·g-1·K-1,幹空氣定容比熱=5R/2=0.171 cal·g-1·K-1

空氣組成成分

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體積含量
氮氣:78.09%
氧氣:20.95%
稀有氣體:0.932%
二氧化碳:0.034%
水蒸汽和雜質:0.02%
空氣是多種氣體的混合物。它的恆定組成部分為氧氣氮氣稀有氣體,可變組成部分為二氧化碳和水蒸氣,它們在空氣中的含量隨地理位置和温度不同在很小限度的範圍內會微有變動。至於空氣中的不定組成部分,則隨不同地區變化而有不同,例如,靠近冶金工廠的地方會含有二氧化硫,靠近氯鹼工廠的地方會含有等等。此外空氣中還有微量的氫氣臭氧氧化二氮甲烷以及或多或少的塵埃。
實驗證明,空氣中恆定組成部分的含量百分比,在離地面100km高度以內幾乎是不變的。以體積含量計,氧約佔20.95%,氮約佔78.09%,稀有氣體約佔0.934%。
一般説來,空氣的成分是比較固定的。這對於人類和其它動植物的生存是非常重要的。但隨着現代化工業的發展,排放到空氣中的有害氣體和煙塵,改變了空氣的成分,造成了對空氣的污染。被污染了的空氣會嚴重地損害人體的健康,影響作物的生長,造成對自然資源以及建築物等的破壞。
排放到空氣中的有害物質,大致可分為粉塵和氣體兩大類。從世界範圍看,排放到空氣中的氣體污染物較多的是二氧化硫一氧化碳二氧化氮等。這些氣體主要來自礦物燃料(石油)的燃燒和工廠的廢氣。

空氣分層

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空氣包裹在地球的外面,厚度達到數千千米。這一層厚厚的空氣被稱為大氣層。大氣層分為對流層平流層同温層)、中間層電離層暖層)和散逸層。我們生活在最下面的一層(即對流層)中。在平流層,空氣要稀薄的多,這裏有一種叫做臭氧氧氣同素異形體O3)的氣體,它可以吸收太陽光中有害的紫外線。中間層又稱中層,自平流層頂到85千米之間的大氣層。再上面是電離層,這裏的空氣處於部分電離或完全電離的狀態,電離層是部分電離的大氣區域,完全電離的大氣區域稱磁層電離層的作用非常重要,它可以將無線電波反射到世界各地。若不考慮水蒸氣、二氧化碳和各種碳氫化合物,則地面至10km高度的空氣平均組成保持恆定值。在25km高空臭氧的含量有所增加。在更高的高空,空氣的組成隨高度而變,且明顯地同每天的時間及太陽活動有關。

空氣發現史

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200多年前法國科學家拉瓦錫(Lavoisier,1743~1794)用定量試驗的方法測定了空氣成分。
他把少量汞放在密閉容器中加熱12天,發現部分汞變成紅色粉末HgO,同時,空氣體積減少了1/5左右。通過對剩餘氣體的研究,他發現這部分氣體不能供給呼吸,也不助燃,他誤認為這全部是氮氣
拉瓦錫又把加熱生成的紅色粉末收集起來,放在另一個較小的容器中再加熱,得到氧氣,且氧氣體積恰好等於密閉容器中減少的空氣體積。他把得到的氧氣導入前一個容器,所得氣體和空氣性質完全相同。
通過實驗,拉瓦錫得出了空氣由氧氣和氮氣組成,氧氣佔其中的1/5。 [1] 
19世紀前,人們認為空氣中僅有氮氣(N2)與氧氣(O2)。直到1892年,英國物理學家雷利發現從空氣中分離氧氣後得到“氮氣”的密度(1.2572g/L)與分解含氮物質所得的氮氣密度(1.2505g/L)之間總是存在着微小的差異。雷利沒有放過這一個微小的差異,他後來與英國化學家拉姆塞(William Ramsay 1852一1916)合作,終於發現空氣中還存在着一種化學性質不活潑的惰性氣體——氬氣(Ar)。在接下來的幾年中,拉姆塞等人又陸續發現了氦氣(He)、氖氣(Ne)、氙氣(Xe)、氪氣(Kr)、氡氣(Rn)這六種稀有氣體
人們已能精確測量空氣成分。

空氣質量等級

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假如沒有空氣,我們的地球上將是一片荒蕪的沙漠,沒有一絲生機。綠色植物利用空氣中的二氧化碳以及陽光和水合成營養物質,在此過程中,氧氣被釋放出來,人類和其他動物呼吸空氣來獲取氧氣,動物還需要氧氣從攝入的食物中獲取能量。
工業的發展,向空氣排放了有害物質,污染了空氣,使空氣裏增加了有害成分。當空氣裏的有害物質達到一定濃度後,就會嚴重地損害人類的健康和農作物的生長,破壞了某些物質,又會使人的能見度降低,影響交通安全等等。因此,必須大力防止空氣的污染。
排放到空氣裏的有害物質,可以分為以下幾類:粉塵類(如炭粒等),金屬塵類(如鐵、鋁等),濕霧類(如油霧、酸霧等),有害氣體類(如一氧化碳、硫化氫、氮的氧化物等)。從世界範圍來看,排放量較多、危害較大的有害氣體是二氧化硫和一氧化碳。二氧化硫是煤、石油在燃燒中產生的。一氧化碳主要是汽車開動時排出的。從全球估計,一氧化碳的排出量超過二氧化硫的排出量。
根據國家環保局統一規定,我國空氣質量分為5級。它是將一系列複雜的空氣監測數據,按一定方法處理後,算出其空氣污染指數,然後再確定其空氣質量等級。
其具體標準如下:當空氣污染指數達0-50時為1級;51-100時為2級;101-200時為3級;201-300時為4級;300以上時為5級。其中3級屬於輕度污染,4級屬於中度污染,5級則屬於重度污染。
2012年2月,國務院同意發佈新修訂的《環境空氣質量標準》增加了PM2.5監測指標。PM2.5是指大氣中直徑小於或等於2.5微米的顆粒物,也稱為可入肺顆粒物。PM2.5指標表示每立方米空氣中這種顆粒的含量,這個值越高,就代表空氣污染越嚴重。

空氣相對濕度

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通常用於表示濕度的高低,以 %RH 為單位。它反映空氣接近飽和 狀態的能力。濕度越大,表示空氣越接近飽和狀態。相反濕度越小,空氣越乾燥。

空氣作用

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由於地球有強大的吸引力,使百分之八十的空氣集中在離地面平均為十五公里的範圍裏。這一空氣層對人類生活、生產活動影響很大。人們通常所説的大氣污染指的是這一範圍內的空氣污染。
空氣是地球上的動植物生存的必要條件,動物呼吸、植物光合作用都離不開空氣;大氣層可以使地球上的温度保持相對穩定,如果沒有大氣層,白天温度會很高,而夜間温度會很低;臭氧層可以吸收來自太陽的紫外線,保護地球上的生物免受傷害;大氣層可以阻止來自太空的高能粒子過多地進入地球,阻止隕石撞擊地球,因為隕石與大氣摩擦時既可以減速又可以燃燒;風、雲、雨、雪的形成都離不開大氣;聲音的傳播要利用空氣;降落傘、減速傘和飛機也都利用了空氣的作用力。
參考資料
  • 1.    人民教育出版社《化學(9年級上)》(2006年4月第三版)