Люди дышат воздух который состоит примерно из 78 процентов азота, 21 процента кислорода и 1 процента углекислого газа и аргона. Отслеживаемые газы включают криптон, метан, неон, гелий и водород. Воздух обычно содержит следовые количества водяного пара, а также с большими концентрациями, происходящими вблизи уровня моря.
В то время как большое количество азота в воздухе обычно не влияет на людей, в некоторых случаях это может стать чрезвычайно опасным. Когда дайвер дышит воздухом глубоко под водой, где давление высокое, избыточный азот проникает в кровоток. Когда дайвер поднимается, азот может медленно отступить и выдохнуть. Однако, если он поднимается слишком быстро, азот выходит из раствора в его крови, вызывая сильную боль и мышечные спазмы. Необработанная декомпрессионная болезнь может быть фатальной.
Азот в нормальном воздухе может также действовать как наркотик под давлением. По этой причине дайверы, которые спускаются в глубокие воды, обычно используют тщательно регулируемую смесь кислорода и гелия для предотвращения головокружения, сонливости и потери координации.
Урок 1: что такое воздух
Кстати, Джозеф Блэк изначально увлекался только гуманитарными науками, в частности философией. И если бы не твердая рука его отца и настоятельные рекомендации перейти к физике и химии, открытия могло бы и не быть.
Урок 2: Какие газы входят в состав воздуха
Оговоримся сразу, азот в воздухе занимает большую часть, однако и химический состав оставшейся доли весьма интересен и разнообразен. Если коротко, то список основных элементов выглядит следующим образом.
| Элемент | % по объему | % по массе |
| Азот | 78,084 | 75,5 |
| Кислород | 20,9476 | 23,15 |
| Аргон | 0, 934 | 1,292 |
| Углекислый газ | 0,0314 | 0,046 |
| Неон | 0,001818 | 0,0014 |
| Метан | 0,0002 | 0,000084 |
| Гелий | 0,000524 | 0,000073 |
| Криптон | 0,000114 | 0,003 |
| Водород | 0,00005 | 0,00008 |
| Ксенон | 0,0000087 | 0,00004 |
Однако дадим и небольшие пояснения по функциям этих химических элементов.
Содержание азота в воздухе – 78% по объему и 75% по массе, то есть этот элемент доминирует в атмосфере, имеет звание одного из самых распространенных на Земле, и, кроме того, содержится и за пределами зоны обитания человека – на Уране, Нептуне и в межзвездных пространствах. Итак, сколько азота в воздухе, мы уже разобрались, остался вопрос о его функции. Азот необходим для существования живых существ, он входит в состав:
- белков;
- аминокислот;
- нуклеиновых кислот;
- хлорофилла;
- гемоглобина и др.
В среднем около 2% живой клетки составляют как раз атомы азота, что объясняет, зачем столько азота в воздухе в процентах объема и массы.
Азот также является одним из инертных газов, добываемых из атмосферного воздуха. Из него синтезируют аммиак, используют для охлаждения и в других целях.
Содержание кислорода в воздухе – один из самых популярных вопросов. Сохраняя интригу, отвлечемся на один забавный факт: кислород открыли дважды – в 1771 и 1774 годах, однако из-за разницы в публикациях открытия, почести открытия элемента достались английскому химику Джозефу Пристли, который фактически выделил кислород вторым. Итак, доля кислорода в воздухе колеблется около 21% по объему и 23% по массе. Вместе с азотом эти два газа образуют 99% всего земного воздуха. Однако процент кислорода в воздухе меньше, чем азота, и при этом мы не испытываем проблем с дыханием. Дело в том, что количество кислорода в воздухе оптимально рассчитано именно для нормального дыхания, в чистом виде этот газ действует на организм подобно яду, приводит к затруднениям в работе нервной системы, сбоям дыхания и кровообращения. При этом недостаток кислорода также негативно сказывается на здоровье, вызывая кислородное голодание и все связанные с ним неприятные симптомы. Поэтому сколько кислорода в воздухе содержится, столько и нужно для здорового полноценного дыхания.
Аргон в воздухе занимает третье место, он не имеет запаха, цвета и вкуса. Значимой биологической роли этого газа не выявлено, однако он обладает наркотическим эффектом и даже считается допингом. Добытый из атмосферы аргон используют в промышленности, медицине, для создания искусственной атмосферы, химического синтеза, пожаротушения, создания лазеров и пр.
Тот самый загадочный свет дискотечных фонарей, яркие вывески и современные фары используют пятый по распространенности химический элемент, который также вдыхает человек – неон. Как и многие инертные газы, неон оказывает на человека наркотическое действие при определенном давлении, однако именно этот газ используют в подготовке водолазов и других людей, работающих при повышенном давлении. Также неоново-гелиевые смеси используются в медицине при расстройствах дыхания, сам неон используют для охлаждения, в производстве сигнальных огней и тех самых неоновых ламп. Однако, вопреки стереотипу, неоновый свет не синий, а красный. Все остальные цвета дают лампы с другими газами.
Метан и воздух имеют очень древнюю историю: в первичной атмосфере, еще до появления человека, метан был в куда большем количестве. Сейчас этот газ, добываемый и используемый как топливо и сырье в производстве, не так широко распространен в атмосфере, но по-прежнему выделяется из Земли. Современные исследования устанавливают роль метана в дыхании и жизнедеятельности организма человека, однако авторитетных данных на этот счет пока нет.
Посмотрев, сколько гелия в воздухе, любой поймет, что этот газ не относится к числу первостепенных по важности. Действительно, сложно определить биологическое значение этого газа. Не считая забавного искажения голоса при вдыхании гелия из шарика Однако гелий широко применяется в промышленности: в металлургии, пищевой промышленности, для наполнения воздухоплавающих судов и метеорологических зондов, в лазерах, ядерных реакторах и т.д.
Речь не идет о родине Супермена Криптон – инертный газ, который в три раза тяжелее воздуха, химически инертен, добывается из воздуха, используется в лампах накаливания, лазерах и все еще активно изучается. Из интересных свойств криптона стоит отметить, что при давлении в 3,5 атмосферы он оказывает наркотический эффект на человека, а при 6 атмосферах приобретает резкий запах.
Водород в воздухе занимает 0,00005% по объему и 0,00008% по массе, но при этом именно он – самый распространенный элемент во Вселенной. О его истории, производстве и применении вполне можно написать отдельную статью, поэтому сейчас ограничимся небольшим списком отраслей: химическая, топливная, пищевая промышленности, авиация, метеорология, электроэнергетика.
Урок 3: Физические свойства воздуха
Как и у всякой смеси веществ, сегодня можно установить физические свойства воздуха.
| Свойство | Значение |
| Средняя молярная масса (средняя масса одного моля вещества) | 28,98 г/моль |
| Плотность сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении | 1,29 кг/м3 |
| Средняя удельная теплоемкость при постоянном давлении | 1,005 кДж / (кг·К) |
| Средняя удельная теплоемкость при постоянном объеме | 0,717 кДж/(кг·К) |
| Показатель адиабаты (отношение теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме) | 1,40 |
| Теплопроводность при 0℃ | 0,0243 Вт / (м·К) |
| Скорость звука в воздухе при нормальных условиях | 331 м/с (1193 км/ч) |
| Средний коэффициент теплового расширения в интервале температур 0–100°C (изменение объема при постепенном увеличении температуры при постоянном давлении) | 3,67·10−3 1/К |
| Коэффициент динамической вязкости воздуха при нормальных условиях (динамическая вязкость – внутреннее сопротивление молекул движению внутри вещества согласно закону Ньютона) | 17,2 мкПа·с |
| Растворимость воздуха в воде | 29,18 см3/л |
| Показатель преломления при нормальных условиях (показатель преломления означает изменение угла движения световых и любых других волн в веществе) | 1,0002926 |
| Коэффициент изменения показателя преломления | 2,8·10−9 1/Pa |
| Средняя поляризуемость молекулы | 1,7·10−30 |
Дышите чистым и свободным от загрязнений воздухом и будьте здоровы!
Чем же мы дышим?
За все время существования человечества состав земной атмосферы практически не менялся. Наши предки дышали воздухом, который на 78 % состоял из азота и на 21 % – из кислорода. Еще один процент – аргон и углекислый газ. Остальные газы составляли лишь 0,0004 %. Остальные газы: неон, криптон, метан, гелий, ксенон, окислы азота, оксид углерода (угарный газ), водород, аммиак, окислы серы, сероводород, углеводороды. И пусть на долю этих веществ приходится всего около четырех десятитысячных процента, когда их концентрация в воздухе современного мегаполиса превышает предельно допустимую, они существенно отравляют нам жизнь.
Научно-технический прогресс, помимо удобств и комфорта, подарил человечеству разнообразные аллергические заболевания.С каждым годом количество загрязнителей растет, в воздухе появляются новые опасные и токсичные химические вещества, меняющие состав атмосферы в крупных мегаполисах. Сейчас на нашей планете практически не осталось мест, где бы в воздухе не было отравляющих веществ. Даже во льдах Антарктиды ученые обнаружили различные антропогенные загрязнители, а ведь там нет никаких промышленных производств.
- Летучие органические загрязнители (ЛОС) – токсичные (ядовитые) газы, выхлопы автотранспорта, табачный дым, городской смог
Атмосфера современного мегаполиса и его пригорода содержит огромное количество природных загрязнителей – угарный газ, окислы азота, озон. Также ученые находят в воздухе и антропогенные токсичные химические загрязнители, такие как фенол, формальдегид, стирол, бензальдегиды, количество которых в десятки раз превышает предельно допустимые концентрации.
На самом деле, все перечисленное – далеко не полный перечень того, чем мы дышим на улицах городов. А ведь даже в малых дозах эти вещества могут вызывать отравление. К тому же они сравнительно легко вступают в химические реакции с кислородом и другими окислителями, что приводит к образованию еще более опасных загрязнителей.
- Пыль и аэрозоли – домашняя пыль, пылевые клещи, аллергены и сапрофиты
Придорожная пыль деревенского проселка, конечно, неприятна, но не столь опасна, как та же пыль у ворот химкомбината или лакокрасочного цеха. Все дело в том, что ее частички, покрытые пленкой воды, способны поглощать (адсорбировать) и переносить на большие расстояния огромные количества химических веществ, в том числе и вредных.
Например, угольная пыль из выхлопа дизельного автомобиля содержит продукты неполного сгорания (бенз(а)пирен, альдегиды, соединения серы) и является страшным ядом – канцерогеном и мутагеном. Она способна привести к респираторным расстройствам при разовом воздействии и к онкологическим заболеваниям.
- Запахи. Ароматические углеводороды – ароматические вещества
Запах – это специфическое ощущение присутствия в воздухе летучих ароматных веществ (ЛАВ), обнаруживаемых рецепторами обоняния, расположенными в носовой полости человека.
Восприятие ароматов субъективно: одни нам приятны, другие – нет. Однако все сходятся во мнении, что сильные запахи досаждают и могут служить причиной плохого самочувствия. Более того, многие резкие запахи (например еды или табака) способны пропитывать собой окружающее пространство: стены дома, мягкую мебель, текстиль, одежду.
- Бактериальные загрязнители – вирусы, бактерии, споры грибов и плесени
ОРВИ (90 % инфекций) передается воздушно-капельным или воздушно-пылевым путем. Болезнетворные микробы подстерегают нас непосредственно в доме и офисе: вирусы и грибки очень любят селиться рядом с человеком. Любопытно, что в пустующих помещениях они не живут.
Загрязнители воздуха делятся на газообразные, аэрозольные и микробиологические. Все они либо сами являются источниками запахов, либо способны переносить (распространять) как запахи, так и токсичные вещества. Например: запах табачного дыма – аэрозольное загрязнение, запах пепельницы с потухшими окурками – газовое загрязнение, а запах плесени – биоаэрозоль с адсорбированными молекулами запаха. Чтобы очистить воздух от всех классов загрязнителей, в современных воздухоочистителях, как правило, применяются несколько типов фильтров.