§ 13. Воздух как смесь газов

Исследуем вместе

Сто долей воздуха

Меняй общий объём сухого воздуха. Соотношение цветных ячеек останется прежним, а объёмы компонентов изменятся.

Объём сухого воздуха100

Одинаковые температура и давление

Округлённая модель сухого воздуха 78 : 21 : 1. Объёмы относятся к одинаковым температуре и давлению.

Воздух состоит из нескольких газов

Сухой воздух у поверхности Земли приближённо содержит по объёму 78 % азота, 21 % кислорода и около 1 % других газов. Главную часть последней группы составляет аргон; углекислого газа значительно меньше одного процента. В реальном воздухе также есть переменное количество водяного пара.

Это однородная смесь: отдельные газы не видны, но сохраняют свою химическую природу. Воздух нельзя обозначить единственной химической формулой. Значения 78–21–1 — удобная округлённая модель сухого воздуха, а не неизменный состав любой пробы.

Азот N₂

Основная доля сухого воздуха

Кислород O₂

Необходим для дыхания и многих реакций

Остальные газы

В основном аргон; также CO₂ и другие газы

Воздух является смесью газов, а не одним веществом. Округлённое соотношение 78–21–1 относится к сухому воздуху.

Объёмная доля — часть общего объёма

Объёмная доля φ равна отношению объёма газового компонента к общему объёму смеси. Она безразмерна; в процентах её выражают умножением на 100 %. Объёмы сравнивают при одинаковых температуре и давлении.

В смеси 32 л кислорода и 48 л азота общий объём в школьной модели равен 80 л. Доля O₂ — 32 : 80 = 40 %, доля N₂ — 60 %. И наоборот: в 200 л сухого воздуха примерно 0,21 · 200 = 42 л кислорода.

Доля

φ(газа) = V(газа) / V(смеси)

Пример

φ(O₂) = 32 / 80 = 0,40 = 40 %

Обратный расчёт

V(O₂) = 0,21 · 200 л = 42 л

Объёмную долю считают от объёма всей смеси. Сравнение газов требует одинаковых температуры и давления.

Состав земной атмосферы

Состав воздуха показывает, почему его относят к смесям; в тексте используется округление 78 : 21 : 1.

Dbc334 · Wikimedia Commons · Public domain. Без изменений.

Модель молекулы кислорода O₂

Два атома O образуют молекулу простого вещества O₂.

Adam Rędzikowski · Wikimedia Commons · CC0. Без изменений.

Собираем газ по его свойствам

Способ собирания газа выбирают по растворимости в воде и плотности относительно воздуха. Мало растворимый и не реагирующий с водой газ можно собирать вытеснением воды: он занимает место уходящей жидкости в перевёрнутом сосуде.

При вытеснении воздуха более тяжёлый газ собирают в сосуд, расположенный отверстием вверх, более лёгкий — в перевёрнутый сосуд. Это приближённый способ: газы смешиваются за счёт движения частиц. Поэтому важны устройство установки и своевременное закрытие сосуда.

Свойство газа	Подход к собиранию	Пример
Мало растворим в воде	Вытеснение воды	O₂ или H₂
Тяжелее воздуха	Сосуд отверстием вверх	O₂
Легче воздуха	Сосуд отверстием вниз	H₂

Свойства газа определяют устройство для его собирания. Растворимость и относительную плотность учитывают отдельно.

Смесь можно разделить физически

Компоненты воздуха имеют разные температуры кипения. В промышленности воздух очищают, охлаждают до сжижения и разделяют с использованием этих различий. Новые вещества при таком разделении не образуются: кислород выделяют из уже содержащегося в смеси кислорода.

Газы хранят в подходящих герметичных ёмкостях, а большие количества — в специальных баллонах или установках. Одинаковый внешний вид газов не означает одинаковые свойства. Подпись и маркировка важнее попытки распознать газ «на глаз».

Воздух

Смесь азота, кислорода и других газов

Подготовка

Очистка и охлаждение

Разделение

Использование разных температур кипения

Продукты

Отдельные газовые компоненты

Разделение воздуха — физический процесс. Оно использует различия свойств уже присутствующих компонентов.

Соберём главное

Шесть выводов

01Воздух является смесью газов, а не одним веществом. Округлённое соотношение 78–21–1 относится к сухому воздуху.

02Объёмную долю считают от объёма всей смеси. Сравнение газов требует одинаковых температуры и давления.

03Свойства газа определяют устройство для его собирания. Растворимость и относительную плотность учитывают отдельно.

04Разделение воздуха — физический процесс. Оно использует различия свойств уже присутствующих компонентов.

05Состав влажного воздуха отличается от модели сухого. Количество водяного пара зависит от условий.

06Одинаковая прозрачность не означает одинаковые свойства газов. Для работы с ними нужны сведения о составе и маркировка.

Тест по параграфу10 вопросов · 4 варианта · один правильный · 0,5 балла за ответ · максимум 5

1. Какого газа больше всего в сухом воздухе?

КислородаУглекислого газаВодородаАзота

2. Какова приблизительная объёмная доля O₂ в сухом воздухе?

21 %78 %1 %50 %

3. Как вычисляют объёмную долю компонента?

Масса компонента / температураV компонента / V смесиV смеси / V компонентаV компонента · V смеси

4. Сколько O₂ примерно в 200 л сухого воздуха?

78 л156 л42 л21 л

5. Какой газ подходит для собирания вытеснением воды?

Любой хорошо растворимый газТолько жидкостьЛюбой газ независимо от свойствМало растворимый и не реагирующий с водой

6. Как располагают сосуд для сбора H₂ вытеснением воздуха?

Отверстием внизВсегда отверстием вверхЛюбым способом без разницыТолько без дна

7. На чём основано разделение жидкого воздуха?

На одинаковой плотности всех газовНа различии температур кипенияНа уничтожении атомов азотаНа превращении O₂ в воду

8. Является ли разделение воздуха химической реакцией?

Да, потому что есть газДа, потому что нужна энергияНет, компоненты выделяют физическиДа, всегда создаётся новый элемент

9. В смеси 32 л O₂ и 48 л N₂ какова доля O₂?

32 %60 %80 %40 %

10. Какие условия нужны для сравнения газовых объёмов?

Одинаковые температура и давлениеТолько одинаковые названия сосудовТолько одинаковый цвет газаУсловия не влияют на объём

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Химия, 7 класс», § 13. Материал переработан для объяснения; источник: 7 класс. Химия — § 13. Воздух как смесь газов.pdf. Научные уточнения учитывают различие молекулярного и немолекулярного строения и границы учебных моделей.

Иллюстрации загружаются непосредственно с Wikimedia Commons; авторы и лицензии указаны под изображениями. Схемы и обучающие модели созданы для этого конспекта.

Royal Society of Chemistry: данные о химических элементах