в каком году открыли воздух

ВОЗДУХ

ВОЗДУХ – смесь газов, из которых состоит атмосфера Земли.

Тот факт, что воздух является не отдельным веществом, а смесью газов, первым доказал французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794). В 1774 при прокаливании металлов в запаянной реторте он заметил, что с металлом соединяется только часть воздуха. На основании этого он сделал вывод, что воздух состоит из двух газов, из которых один может соединяться с металлом, а другой – нет.

Эту гипотезу А.Лавуазье проверил в 1775, поместив некоторое количество ртути в реторту, изогнутое горло которой сообщалось с воздухом в стеклянном колоколе, погруженном в ртуть (рис. 1).

Лавуазье нагревал реторту чуть ниже температуры кипения ртути в течение 12 дней. По истечение этого времени поглощение ртутью воздуха с образованием красного оксида ртути HgO прекратилось, а объем воздуха в колоколе сократился более, чем на одну шестую часть. Оставшийся в колоколе газ гасил горящую свечу, мышь не могла в нем жить. Лавуазье назвал его азотом, т.е. непригодным для жизни. При прокаливании оксида ртути он вновь получил ртуть и газ, поглощенный ею из воздуха. В этом газе свеча горела с ослепительным блеском, а мышь чувствовала себя превосходно. Лавуазье назвал его «воздухом, пригодным для дыхания», а в 1777 – кислородом.

В 19 в. в воздухе нашли диоксид углерода, благородные газы (аргон, гелий, неон, криптон и ксенон), следовые количества метана, сернистого газа, монооксида углерода, озона, водорода, аммиака и других соединений азота.

Содержание кислорода и азота в воздухе определили французские химики Жан Батист Андре Дюма и Жан Батист Буссенго (1802–1887) в 1841. Они пропускали воздух, очищенный от паров воды и диоксида углерода над раскаленной медью. Увеличение массы меди соответствовало содержанию кислорода, а непрореагировавший азот взвешивался непосредственно.

Составляющие воздух газы можно разделить не только химическими, но и физическими методами. Для этого используют испарение жидкого воздуха. Первые холодильные машины для сжижения воздуха, работа которых была основана на принципе Джоуля – Томсона, были построены в 1890-х. Их главные части – два (или более) змеевика, расположенные один в другом (рис. 2)

По внутреннему узкому змеевику подается воздух под давлением в 200 атм, резко расширяющийся в нижней камере до давления в 20 атм. Этот охладившийся расширившийся воздух по наружному змеевику возвращается к компрессору и при этом охлаждает внутренний змеевик с находящимся в нем воздухом (под давлением 200 атм), который затем снова расширяется в той же камере, где охлаждается еще больше. Так продолжается до тех пор, пока воздух в камере не начнет сжижаться.

Возможность отделения азота от кислорода основана на том, что жидкий азот кипит при более низкой температуре (–195,8° С), чем кислород (–183,0° С), поэтому он испаряется первым. Затем из жидкого воздуха улетучивается аргон (т. кип. –185,9° С). Этим методом из воздуха можно выделить и другие газы. В 1896–1897 английский химик и физик Уильям Рамзай (1852–1916) при дробной перегонке сжиженного аргона получил еще четыре благородных газа.

В 1923 английский физик и химик Фрэнсис Уильям Астон (Нобелевская премия по химии, 1922) испарил 400 тонн жидкого воздуха, но никаких других газов, кроме открытых ранее, в нем не нашел.

Основными компонентами воздуха в нижней атмосфере являются азот N2, кислород O2 и аргон Ar.

Кроме газов, указанных в таблице, атмосферный воздух содержит пары воды (0,002–4% по массе), а в приземном воздухе всегда есть большое количество взвешенных твердых и жидких частиц, образующих аэрозоли.

Современный состав воздуха сформировался в результате длительных эволюционных процессов в недрах Земли и на ее поверхности. Огромную роль в этом сыграла деятельность зеленых растений, животных и микроорганизмов.
Предполагают, что большое количество азота в воздухе появилось в результате окисления первичной аммиачно-водородной атмосферы Земли молекулярным кислородом, который сначала образовывался в результате диссоциации воды, а затем стал накапливаться у поверхности Земли в результате фотосинтеза (рис. 3).

Источниками благородных газов являются вулканические извержения и распад радиоактивных элементов. Аргон образуется в результате распада калия-40. Радон появляется при распаде радия, а гелий, ядра которого представляют собой альфа-частицы, является одним из продуктов многих стадий цепочек радиоактивных превращений, начинающихся от урана и тория.

Диоксид углерода попадает в атмосферный воздух во время извержений вулканов, при разложении карбонатных горных пород и органических веществ, а также в результате производственной деятельности человека. В последние десятилетия наблюдается неуклонный, хотя и небольшой рост содержания диоксида углерода в атмосферном воздухе.

Многочисленные газообразные вещества, находящиеся в воздухе в следовых количествах, образуются в результате вулканической деятельности, выделяются растениями и бактериями.
Развитие энергетики и промышленности оказывает все большее влияние на состав воздуха, особенно это заметно вблизи крупных предприятий и в больших городах. Больше всего загрязняющих газов (оксиды углерода, азота, серы) и аэрозолей образуется при сжигании топлива.

Плотность и давление атмосферного воздуха непрерывно меняются при увеличении расстояния от поверхности планеты. Воздушную оболочку Земли делят на тропосферу, стратосферу, мезосферу, ионосферу и экзосферу. Границы между ними называют соответственно тропопаузой, стратопаузой и т.д. (рис. 4).

Рис. 4. ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА с высотой. На врезке показано изменение концентрации газов в гетеросфере в зависимости от высоты.

До высоты 100 км состав воздуха почти не изменяется в результате интенсивного перемешивания. Состав воздуха в стратосфере и мезосфере почти такой же, как в тропосфере. Главное отличие – повышенное содержание озона, который образуется в результате фотохимических реакций на высоте около 30 км.
В стратосфере и более высоких слоях молекулы газов диссоциируют на атомы. На высоте 80 км полностью распадаются на атомы диоксид углерода и водород, выше 150 км – кислород, выше 300 км – азот. На расстоянии 100–400 км от поверхности Земли в ионосфере газ ионизуется: образуются ионы O2–, O2+, N2+. В верхних слоях атмосферы присутствуют свободные радикалы ОН*, НО2* и другие.

Выше 120 км воздух перемешивается так слабо, что существенным становится распределение химических частиц под действием гравитации. Поэтому ближе к Земле преобладают молекулярные и атомарные кислород и азот, а выше – водород и гелий, которые вследствие малого атомного веса, медленно рассеиваются в космическое пространство.

Андруз Дж., Бримблекумб П., Джикелз Т., Лисс П. Введение в химию окружающей среды (перевод с англ.). М., Мир, 1999
Добровольский В.В. Основы биогеохимии. Учеб. пособие для геогр., биол., геол., с.-х. спец. вузов. М., Высш. шк., 1998
Ревель П., Ревель Ч. Среда нашего обитания. В 4-х кн. (перевод с англ.). М., Мир, 1995
Химия и общество (перевод с англ.). М., Мир, 1995

Источник

История открытия состава воздуха

Физические свойства воздуха.

Чистый воздух бесцветный (прозрачный), без запаха и вкуса. 1 л воздуха при н.у. имеет массу 1,29 г (р = 1,29 г/л). Молярная масса воздуха Мв = 29 г/моль.

История открытия состава воздуха.

200 лет назад воздух считался элементарным простым веществом. Аристотель (384-322 г.г. до н.э.) считал воздух одним из 4-х начал, олицетворявшим, по его мнению, два качества: влажность и тепло.

Представления о воздухе, как индивидуальном веществе, сохранялись многие века, хотя уже некоторые ученые древности рассматривали воздух, как сложное вещество.

Шведский ученый К. Шееле (1742-1786) поставил серию опытов, изучай состав воздуха, пришел к выводу, что атмосферный воздух состоит из 2 видов воздуха: «огненного», поддерживающего дыхание и горение (О₂) и «испорченного», не поддерживающего горения (N₂). Он провел опыты по изучению взаимодействия воздух, находящегося в замкнутом пространстве в контакте с различными веществами. Во всех случаях было поглощено около 1/5исходного объема воздуха, при этом оставшийся газ оказался легче обычного воздуха и не поддерживал горения. Шееле впервые открыл О₂.

Независимо от К. Шееле О₂ был открыт английским химиком Д. Пристли.

Источник

Воздух, свойства и химический состав

Воздух, свойства и химический состав.

Воздух – смесь газов главным образом из азота и кислорода – 98-99 % в сумме, а также аргона, углекислого газа, водорода, образующая земную атмосферу.

Воздух, роль и значение воздуха:

Воздух – смесь газов главным образом из азота и кислорода – 98-99 % в сумме, а также аргона, углекислого газа, водорода, образующая земную атмосферу.

В России действует Федеральный закон от 04.05.1999 № 96-ФЗ «Об охране атмосферного воздуха», которым дано понятие атмосферного воздуха.

Атмосферный воздух – жизненно важный компонент окружающей среды, представляющий собой естественную смесь газов атмосферы, находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений. Атмосферный воздух является жизненно важным компонентом окружающей среды, неотъемлемой частью среды обитания человека, растений и животных.

Воздух окружает планету Земля, образуя атмосферу планеты. Он удерживается гравитацией Земли. Атмосфера Земли защищает жизнь на земле, создавая давление, позволяющее жидкой воде существовать на поверхности Земли, поглощая вредное ультрафиолетовое солнечное излучение, нагревая поверхность за счет удержания тепла (парниковый эффект) и уменьшая перепады температур между днем и ночью (суточное изменение температуры).

Если без еды человек может продержаться несколько недель, без воды – несколько дней, то без воздуха – только несколько минут (1 минуту – обычный человек и 5 минут – тренированные ныряльщики).

Свойства воздуха:

Воздух не имеет цвета, вкуса и запаха. Полностью прозрачен.

Воздух сжимаем и упруг.

Теплый воздух легче холодного. Воздух сжимается при охлаждении и расширяется при нагревании.

Воздух сохраняет тепло и практически не пропускает его.

Он всегда заполняет весь объём и содержится везде, где есть пустое пространство.

Воздух необходим для процессов горения.

Химический состав воздуха. Из чего состоит воздух? Компоненты воздуха:

То, что воздух является смесью газов, а не простым веществом, было впервые экспериментально доказано в 1754 году Джозефом Блэком.

* в пересчете на сухой воздух (без водяного пара).

** концентрация водяного пара значительно варьируется от примерно 0,0001 % по объему в самых холодных частях атмосферы до 5% по объему в горячих, влажных воздушных массах (в пересчете на сухой воздух).

*** водяной пар составляет около 0,25% по массе от массы всей атмосферы.

Многие вещества природного происхождения также могут присутствовать в воздухе в локально и сезонно изменяющихся малых количествах в виде аэрозолей. К ним относятся пыль, состоящая из различных минеральных и органических веществ (например, серы и сернистых соединений: сероводорода, диоксида серы и пр.), пыльца и споры, морские брызги и вулканический пепел.

Кроме того, различные промышленные загрязнители (сера, хлор и их соединения, пр.) могут присутствовать в воздухе в виде газов или аэрозолей.

Состав воздуха может меняться в небольших пределах: в крупных городах содержание углекислого газа немного выше, чем в лесах; в высокогорье и на больших высотах концентрация кислорода немного ниже вследствие того, что молекулы кислорода тяжелее молекул азота, и поэтому концентрация кислорода с высотой уменьшается быстрее.

Азот – основной компонент воздуха (78,084 % по объему и 75,5 % по массе) и один из самых распространённых элементов на Земле.

Азот является химическим элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков (16-18 % по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. В составе живых клеток по числу атомов азота около 2 %, по массовой доле – около 2,5 % (четвёртое место после водорода, углерода и кислорода).

Как простое вещество представляет собой двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Химически весьма инертен.

Разделяя воздух на составные компоненты, получают промышленный азот. Более ¾ промышленного азота идёт на синтез аммиака, а остальная ¼ применяется в промышленности как инертная среда для множества технологических процессов. Жидкий азот используется как хладагент.

С начала кембрийского периода (кембрия) – 540 миллионов лет назад – содержание кислорода в воздухе колебалось от 15 % до 30 % по объёму. К концу каменноугольного периода (около 300 миллионов лет назад) его уровень достиг максимума в 35 % по объёму, который, возможно, способствовал большому размеру насекомых и земноводных в это время.

В дальнейшем содержание кислорода в воздухе уменьшилось до современных объемов и стабилизировалось.

Кроме того, кислород – это также самый распространённый в земной коре элемент, на его долю (в составе более 1500 соединений различных соединений, главным образом силикатов) приходится около 47 % массы твёрдой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода – 85,82 % (по массе).

Кислород – химически активный неметалл. Как простое вещество при нормальных условиях представляет собой газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов кислорода (химическая формула O₂).

Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. Он входит в состав белков, жиров, углеводов, аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. По числу атомов в живых клетках он составляет около 25 %, по массовой доле – около 65 %.

Биологическая роль кислорода заключается в том, что большинство живых организмов дышат кислородом. Молекулярный кислород используется живыми организмами для процессов синтеза энергии.

Переход кислорода из атмосферного воздуха в кровь и из крови в ткани зависит от разницы в его парциальном давлении, поэтому биологическое значение имеет парциальное давление кислорода, а не процентное содержание его в воздухе. На уровне моря парциальное давление кислорода равно 160 мм. При снижении его до 140 мм у человека появляются первые признаки гипоксии. Снижение парциального давления до 50-60 мм опасно для жизни.

Кислород постоянно пополняется в атмосфере Земли путем его фотосинтеза растениями, цианобактериями и зелеными водорослями. По некоторым оценкам, зеленые водоросли и цианобактерии в морской среде обеспечивают около 70% свободного кислорода, вырабатываемого на Земле, а остальная часть производится наземными растениями и деревьями.

Простое вещество аргон – инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Химически инертен.

Аргон не играет никакой заметной биологической роли. Вместе с тем вдыхание аргона может быть опасно для здоровья, в связи с тем, что в лёгкие не попадает кислород.

Углекислый газ (диоксид углерода, двуокись углерода) – бесцветный газ (в нормальных условиях), почти без запаха (в больших концентрациях с кисловатым «содовым» запахом – запахом газированной воды). Концентрация углекислого газа в атмосфере 0,0314 % по объему и 0,046 % по массе. Тяжелее воздуха приблизительно в 1,5 раза.

Углекислый газ легко пропускает излучение в ультрафиолетовой и видимой частях спектра, которое поступает на Землю от Солнца и обогревает её. В то же время он поглощает испускаемое Землёй инфракрасное излучение и является одним из парниковых газов, вследствие чего принимает участие в процессе глобального потепления. Постоянный рост уровня содержания этого газа в атмосфере наблюдается с начала индустриальной эпохи.

Углекислый газ образуется в качестве одного из конечных продуктов метаболизма в клетках тканей живых организмов. Далее углекислый газ переносится от тканей по венозной системе и затем выделяется с выдыхаемым воздухом через лёгкие. Организм человека выделяет приблизительно 1 кг углекислого газа в сутки.

Углекислый газ участвует в процессах фотосинтеза. Поэтому с марта по сентябрь вследствие фотосинтеза содержание СО₂ в атмосфере падает, а с октября по февраль – повышается.

Углекислый газ нетоксичен. Но при вдыхании его повышенных концентраций в воздухе по воздействию на воздуходышащие живые организмы его относят к удушающим газам. По ГОСТу 8050-85 углекислота относится к 4-му классу опасности.

Неон – инертный одноатомный газ без цвета и запаха. Концентрация неона в воздухе 0,001818 % по объему и 0,0014 % по массе.

Заметной биологической роли не играет. Вместе с тем вдыхание неона может быть опасно для здоровья, в связи с тем, что в лёгкие не попадает кислород.

Неон наряду с гелием в составе неоно-гелиевой смеси используется для дыхания океанавтов, водолазов, людей, работающих при повышенных давлениях, чтобы избежать газовой эмболии и азотного наркоза. Преимущество смеси в том, что она меньше охлаждает организм, так как теплопроводность неона меньше, чем гелия.

Метан – простейший по составу предельный углеводород, при нормальных условиях бесцветный газ без вкуса и запаха.

Метан в смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен.

Метан является парниковым газом, более сильным в этом отношении, чем углекислый газ. Его вклад в парниковый эффект составляет 4-9 %. Если степень воздействия углекислого газа на климат условно принять за единицу, то парниковая активность того же молярного объёма метана составит 21-25 единиц.

Метан по токсикологической характеристике относится к веществам 4-го класса опасности (малоопасным веществам) по ГОСТ 12.1.007.

Гелий – инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

Концентрация гелия в воздухе 0,000524 % по объему и 0,000073 % по массе.

Гелий не несёт какой-либо биологической функции. Вместе с тем вдыхание гелия может быть опасно для здоровья, в связи с тем, что в лёгкие не попадает кислород.

Криптон – инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

Концентрация криптона в воздухе 0,000114 % по объему и 0,0003 % по массе.

Криптон не несёт какой-либо биологической функции. Вместе с тем вдыхание криптона может быть опасно для здоровья, в связи с тем, что в лёгкие не попадает кислород.

Водород – самый лёгкий из элементов периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева. Концентрация водорода в воздухе 0,00005 % по объему и 0,00008 % по массе.

При стандартных температуре и давлении водород – бесцветный, не имеющий запаха и вкуса, нетоксичный двухатомный газ с химической формулой H₂, который в смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен.

В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений. Лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере.

Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках, где по числу атомов на водород приходится почти 63 %.

Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле и в живых организмах, почти так же велико, как и кислорода.

Будучи компонентом воздуха водород (как компонент воздуха) заметной биологической роли не играет.Ксенон – инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

Концентрация ксенона в воздухе 0,0000087 % по объему и 0,00004 % по массе.

Ксенон не несёт какой-либо биологической функции. Вместе с тем вдыхание ксенона может быть опасно для здоровья, в связи с тем, что в лёгкие не попадает кислород.

Водяной пар – один из компонентов воздуха. Его концентрация значительно варьируется от примерно 0,0001 % по объему в самых холодных частях атмосферы до 5% по объему в горячих, влажных воздушных массах (в пересчете на сухой воздух). Водяной пар составляет около 0,25% по массе от массы всей атмосферы.

Концентрация водяного пара в воздухе зависит от температуры, влажности, времени года и климата. Так, при температуре 0 °C 1 м³ воздуха может содержать максимально 5 г воды, а при температуре +10 °C – уже 10 г.

Вода (оксид водорода) – это бинарное неорганическое соединение с химической формулой H₂O. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного – кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. При нормальных условиях вода представляет собой прозрачную жидкость, не имеющую цвета (при малой толщине слоя), запаха и вкуса. В твёрдом состоянии вода называется льдом (кристаллы льда могут образовывать снег или иней), а в газообразном – водяным паром.

Источник

История открытия состава воздуха и ученые определившие его состав

До XVIII века воздух считался однокомпонентным газом, только в конце века учёные экспериментально определили его состав и доказали, что это смесь газов.

Открытие основных элементов воздуха принадлежит таким учёным, как:

Михаил Васильевич Ломоносов

Русский учёный Ломоносов в 1750 году, на основании экспериментов установил, что воздух вступает в реакции с другими веществами и содержит газ способный окислять металлы.

Джозеф Блэк

В 1754 году шотландский химик и физик Джозеф Блэк, изучая состав газов и других материй, обнаружил, что воздух не простое вещество, а смесь разных элементов. При нагревании некоторых веществ он выделил «связанный воздух», который в последующем был назван углекислым газом.

Карл Шееле

В 1772 году шведский химик Карл Вильгельм Шееле изучал свойства огня и само горение. Во время опытов он пришёл к выводу, что воздух не однородное вещество, а состоит как минимум из двух газов и один из них способствует горению.

Джозеф Пристли

В это же время эксперименты по изучению состава воздуха проводились британским химиком Пристли. В процессе исследования фотосинтеза он открыл углекислый газ, который назвал «испорченный воздух», потому что в нем погибают живые организмы. На основании этих работ он доказал способность растений поглощать этот элемент и выделять другой, пригодный для дыхания.

В 1774 году ученый изучал состав различных веществ и виды воздуха выделяемые при их нагревании. При нагреве окиси ртути он получил ранее не изученный газ. Затем заметил, что им можно дышать и свеча в сосуде с ним горит ярче. Пристли исследовал свойства нового вещества и назвал его «огненный газ», но так и не смог научно объяснить открытие кислорода.

Антуан Лавуазье

На основании идей Карла Вильгельма Шееле и Джозефа Пристли, французский химик Антуан Лоран Лавуазье впервые опытным путём установил сложный состав воздуха. В 1777 году на основании исследований он сделал вывод, что воздух состоит из двух элементов:

Уильям Рамзай

В XIX веке исследование состава воздуха продолжал шотландский профессор Уильям Рамзай. В 1894 году вместе с британским физиком Джоном Уильямом Релеем, изучая плотность и массу газообразных веществ, они выявили третий элемент воздуха – аргон. Уильям Рамзай продолжал работу и в дальнейшем открыл гелий, неон и ксенон.

Таким образом, открытие веществ, составляющих воздух нельзя присвоить одному человеку, определением и изучением его элементов занимались разные учёные на протяжении XVIII – XIX века. Ими были открыты основные составляющие воздуха: углекислый газ, кислород, азот, аргон, гелий, неон, ксенон.

Источник