История открытия состава воздуха кратко

Обновлено: 05.07.2024

Первоначальное открытие кислорода принадлежит китайскому ученому VIII в. Мао Хоа, который за 1000 лет до Антуана Лавуазье установил, что в состав воздуха входит газ, поддерживающий горение и дыхание. О сложном составе воздуха высказывался и Леонардо да Винчи в XV в. Но более пристально изучением воздуха занялся англичанин Джозеф Пристли.

Дж.Пристли
(1733–1804)

Б.Франклин
(1706–1790)

Лаборатория Дж.Пристли

Приборы Дж.Пристли,
с помощью которых был открыт кислород

А.Л.Лавуазье
(1743–1794)

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.

При t = - 140 0 С и Р = 4 МПа сжижается. Жидкий воздух (бесцветная, прозрачная жидкость) кипит при t к = - 190 o С.

При t = -195,8 0 С из жидкого воздуха испаряется N₂, а при t = -183 0 С испаряется О₂. Первым испаряется N₂ — на этом основано промышленное получение N₂ и О₂ из жидкого воздуха. Разделение производят многократным ступенчатым испарением жидкого воздуха (дробная перегонка).

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.

В XVII веке в работах Г. Галилея (1638) и Р. Бойля (1662) было показано, что воздух - материальное вещество и обладает вполне определенными (m и р) физическими свойствами.

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

Практически одновременно с кислородом выделили и изучили другую важную составную часть воздуха - N₂ (Даниель Резерфорд в 1772 г.). Несколько раньше Резерфорда N₂ был получен английским исследователем — Г. Кавендишем и назван "испорченным воздухом".

Химик У. Рамзай и физик Д. Рэлей в 1894 г. обнаружили тяжелый газ, который входит в состав воздуха - аргон. Через год Рамзай открыл гелий. Вместе с М. Траверсом он открыл криптон, ксенон и неон. В 1900 году английский Э. Резерфорд открыл радон.

Физические свойства воздуха.

При t = - 140 0 С и Р = 4 МПа сжижается. Жидкий воздух (бесцветная, прозрачная жидкость) кипит при t к = - 190 o С.

История открытия состава воздуха.

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

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).

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

На страницах блога мы много рассказываем о самых разных химических веществах и смесях, но у нас еще не было рассказа об одном из важнейших сложных веществ — о воздухе. Исправим это и расскажем о воздухе. В первой статье: немного истории изучения воздуха, его химический состав и основные факты о нем.

Немного истории изучения воздуха

В настоящее время под воздухом понимают смесь газов, образующих атмосферу нашей планеты. Но так было не всегда: долгое время ученые думали, что воздух — это простое вещество, целостная субстанция. И хотя многие ученые высказывали гипотезы о сложном составе воздуха, дальше догадок дело не шло до XVIII века. Кроме того, воздуху придавали философское значение. В Древней Греции воздух считался одной из основополагающих космических стихий, наряду с землей, огнем, землей и водой образующих все сущее. Аристотель относил воздух к подлунным легким элементам, олицетворяющим влажность и тепло. Ницше в своих трудах писал о воздухе, как о символе свободы, как о наивысшей и самой тонкой форме материи, для которой не существует преград.

В XVII веке было доказано, что воздух — это материальная сущность, вещество, свойства которого, например, плотность и вес, можно измерить.

Химический состав

Воздух состоит из смеси примерно двадцати семи различных газов. Примерно на 99% — это смесь кислорода и азота. В составе оставшегося процента: водяной пар, углекислый газ, метан, водород, озон, инертные газы (аргон, ксенон, неон, гелий, криптон) и другие. Например, в воздухе часто можно обнаружить сероводород, угарный газ, йод, оксиды азота, аммиак.

Считается, что в чистом воздухе при нормальных условиях содержится 78,1% азота и 20,93% кислорода. Однако в зависимости от географического положения и высоты над уровнем моря состав воздуха может различаться.

Существует еще такое понятие, как загрязненный воздух, то есть воздух, состав которого отличается от природного атмосферного за счет наличия загрязняющих веществ. Эти вещества бывают:
• естественного происхождения (вулканические газы и пыль, морская соль, дымы и газы от природных пожаров, растительная пыльца, пыль от эрозии почв и т.п.).
• антропогенного происхождения — возникшие в результате промышленной и бытовой деятельностью человека (выбросы соединений углерода, серы, азота; угольной и другой пыли от горнодобычи и промышленных предприятий; отходы сельскохозяйственного производства, промышленные и бытовые свалки, аварийные разливы нефти и других опасных для окружающей среды веществ; газовые выхлопы транспортных средств и т.п.).

Свойства

Чистый атмосферный воздух не имеет цвета и запаха, он невидим, хотя его можно ощутить. Физические параметры воздуха определяются следующими характеристиками:

• массой;
• температурой;
• плотностью;
• атмосферным давлением;
• влажностью;
• теплоемкостью;
• теплопроводностью;
• вязкостью.

Большая часть параметров воздуха зависят от его температуры, поэтому существует множество таблиц параметров воздуха для различных температур. Температуру воздуха измеряют с помощью метеорологического термометра, а влажность — с помощью гигрометра.

Воздух проявляет окислительные свойства (за счет большого содержания кислорода), поддерживает горение и дыхание; плохо проводит тепло, хорошо растворяется в воде. Его плотность уменьшается по мере увеличения температуры, а вязкость увеличивается.

Из следующей статьи вы узнаете о несколько несколько интересных фактов о воздухе и его применении.

Воздух представляет собой смесь множества газов, в разном количестве входящих в его состав. Так большую часть составляет азот, содержание которого равно 78% от всего объема. В свою очередь содержание кислорода равно 21%, а на долю всех других газов приходится всего 1 процент.

Но этот состав не постоянен и может зависеть от местности и климата, а также других факторов. Деятельность человека очень сильно влияет на состав и качество воздуха. Поэтому в больших городах это процентное содержание может отличаться от нормы.

Между тем свойства воздуха во многом влияют на состояние человека и всего живого. Человек очень сильно зависит от температуры, влажности или же давления. На некоторые показатели можно повлиять, а некоторые зависят только от природы. Микроклимат в помещениях можно регулировать и устанавливать необходимую влажности и температуру, давление же не зависит от человека. Также важен и состав того, чем мы дышим. При дыхании выделяется углекислый газ, который может стать для человека опасным. Скопление углекислого газа происходит в плохо проветриваемых помещениях.

И именно поэтому лучше всего знать какие свойства воздуха существуют и как от них зависит жизнь человека. Также и химический состав воздуха может многое сказать о том, насколько он пригоден для дыхания.

Как же образуется диоксид углерода?

Диоксид углерода может быть результатом таких естественных реакций, как горение, гниение и разложение. Но больше всего углерода в атмосферу выделяется в результате жизнедеятельности человека. При этом все равно его количество в атмосфере не превышает 0,03 процента.

Диоксид углерода может быть как в газообразном состоянии, так и в жидком и твердом. В газообразном состоянии он представляет собой углекислый газ, а в твердом известен как сухой лед. Для получения сухого льда диоксид необходимо охладить до -78,5 градусов по Цельсию.

Чаще всего человек сталкивается именно с углекислым газом, который выделяется не только в процессе горения, но и при дыхании живых существ. Сам по себе он не имеет ни цвета, ни запаха, но в больших концентрациях он способен растворяться в организме и образовывать раствор угольной кислоты.

В воздухе содержится около 0,9 процентов углекислого газа и если этот показатель будет превышен, то это будет очень негативно влиять на состояние человека. Такое может случиться, к примеру, если плохо проветривать помещения. Именно поэтому рекомендуется использовать или вентиляцию, или же тщательно проветривать помещения, где находится большое количество людей.

Химические свойства воздуха

Для того, чтобы понять какие есть химические свойства воздуха, нужно сказать о химических свойствах его компонентов. Он состоит из примерно 27 различных газов, но больше всего в нем содержится азота и кислорода. Только 1 процент от общего состава приходится на все остальные газы, такие как углекислый газ, водород, метан, озон и другие. В зависимости от различных факторов состав может различаться и в большинстве это связано с деятельностью человека. Различные производства или автомобильные выхлопы очень сильно влияют на состав и процентное соотношение всех газов.

Кислород составляет 21 процент от объема всего воздуха. Он обладает окислительными свойствами, благодаря которым горят и окисляются другие материалы. Так как это главный окислитель, находящийся в воздухе, то все реакции сгорания приписываются именно этому химическому элементу.

Человек не все может увидеть, но это не значит, что этого не существует. Мы не может увидеть то, чем дышим, но это еще не все. В последнее время часто говорят о радиации, которая негативно влияет на здоровье. Как же ее обнаружить? Для этого лучше всего провести исследование радиации. Наши специалисты для такого исследования используют новейшие точные приборы, которые точно ничего не упустят и точно скажут вам о том, насколько безопасно в вашей квартире или офисе.

Физические свойства воздуха

К физическим свойствам можно отнести:

температуру;
вдавление;
влажность;
теплоемкость.

И это еще не все свойства какими свойствами обладает воздух.

На самом деле в основном нам необходимы именно температурные значения для описания воздуха. Температура воздуха является основной характеристикой, которая необходима нам и в повседневной жизни.

Научно доказано, что изменение температуры приводит и к изменению физических свойств воздуха. И поэтому были созданы специальные таблицы, где физические свойства воздуха зависят от температурных значений.

Также важной характеристикой будет и относительная влажность воздуха. Под ней понимают содержание отношение между содержащимися в воздухе водяными парами и максимальным количеством пара, которое может содержаться в воздухе при данной температуре. Температура, влажность и давление взаимосвязаны. Чем выше давление и ниже температура, тем выше будет влажность.

Если говорить о давлении, то существует общепринятое значение в 760 мм рт ст, которое считается нормальным значением. Если показатель будет ниже или выше, то это может значительно сказаться на самочувствии человека. Именно с этим связано ухудшение самочувствия при подъеме на гору. Чем больше высота, тем выше будет давление и без тренировок человеческий организм в нему зачастую не готов.

История открытия таких понятий как воздух и его свойства

Людей всегда интересовал окружающий мир и воздух не является исключением. Можно проследить историю открытий с самых древних времен и до наших дней. И все еще ученые занимаются вопросами, связанными с этой темой, проводя большое количество исследований и экспериментов.

В древнем Риме и Греции он считался личным веществом, которое есть у каждого человека. Анаксимен говорил о том, что это вещество является основой всего существующего. Дальше его идеи развивались в том же русле и было предположено, что воздух является одним из главных элементов природы. Но эти знания были довольно поверхностны и уже с приходом Аристотеля было открыто, что также у него есть и масса.

Все последующие попытки описать его свойства были не такими успешными и масштабными. Герон высказал мнение, что воздух материален. Так в пример он привел сосуды, которые кажутся пустыми, но на самом деле наполнены воздухом. Он же состоит из микроскопических частиц. Также он сказал, что когда эти частицы приведены в движение, то получается ветер. Это было в 140-х годах до нашей эры.

Многие ученые также пытались выяснить состав и свойства воздуха. Больших успехов добились в этом ученые древнего Китая. Так химики упоминали в сочинениях многие свойства и факты, которые не имели основательности и оставались лишь теоретическими.

Один из величайших умов планеты также внес свой вклад в это дело. Леонардо да Винчи известен своими исследованиями в этой области. Работая над конструкциями летательных аппаратов, он тщательно изучал свойства воздуха, которые помогли бы понять, как заставить эти механизмы работать.

Но настоящие открытия начались в 18 веке. Именно тогда начали появляться те знания, которые мы имеем сейчас. Такие ученые как Шееле и Лавуазье занимались исследованиями и проводили различные опыты. Они пришли к выводам, что в составе воздуха можно выделить кислород и азот. Изучением азота занимались Резерфорд и Кавендиш. Именно знания об этих двух газах стали самыми важными. Сейчас мы знаем о том, что кислород в неразбавленном виде опасен для дыхания и именно азот его разбавляет.

На протяжении многих столетий человек изучал состав и свойства каждого газа в отдельности. Благодаря этому теперь мы обладаем большими знаниями о свойствах и составе газов, которыми мы дышим.

Вес воздуха

Иногда трудно поверить в существование воздуха, ведь в большинстве случаев он абсолютно не видим и не ощущаем. Но на самом деле он не только существует, но и имеет вес. Так вес воздуха в бутылке будет равен примерно одному грамму и это еще не все. Ученые говорят о том, что он также давит на нас и окружающие нас предметы даже если мы не чувствуем.

Опыты дают понять важность существования этой смеси газов в природе. Воздух необходим не только человеку или жизни на земле. Он влияет даже на предметы, окружающие нас. Так был проведен эксперимент, где из консервной банки выкачали воздух. Без него банка просто сплющится.

Подвижность воздуха

Но есть и еще одно важное свойство – подвижность воздуха. Это свойство определяется скоростью движения, и означает какое расстояние пройдет воздух за одну секунду.

Так человек может заметить это на примере ветра. Мороз не так страшен в безветренную погоду, но при наличии ветра он может стать причиной обморожения или переохлаждения. Это все результат высокой подвижности воздуха и низкой температуры.

Знание подвижности воздуха необходимо для человека в повседневной жизни. Именно это свойство позволяет предотвращать застой воздуха в помещениях, а также скопление различных загрязнений.

Читайте также: