8 класс Химия Важнейшие представители неорганических веществ Воздух

Воздух. Состав и свойства смеси

Содержание

Открыв окно после занятия, мы впускаем в класс воздух. Что именно поступает в комнату? Разберемся, из каких веществ состоит воздух, как читать его состав и почему дыхание меняет соотношение газов.

Воздух как смесь

Воздух содержит несколько газообразных веществ: азот $N_2$, кислород $O_2$, аргон $Ar$, углекислый газ $CO_2$ и другие газы. Каждое вещество в составе смеси называют ее компонентом. В воздухе также бывает водяной пар — вода $H_2O$ в газообразном состоянии.

При смешивании эти вещества сохраняют свой состав. Молекулы азота остаются молекулами азота, а молекулы кислорода — молекулами кислорода. Единой «молекулы воздуха» нет, поэтому у воздуха нет одной химической формулы.

Чистый от пыли и капель воздух — однородная газовая смесь: ее компоненты перемешаны, и отдельные газы нельзя различить глазами. Прозрачность не доказывает, что перед нами одно вещество. Пыль и капли тумана — дополнительные частицы, которые могут находиться в воздухе.

Землю окружает газовая оболочка — атмосфера. Воздух в комнате и воздух снаружи входят в эту оболочку, но содержание некоторых компонентов может различаться.

{"questions":[{"instruction":"В закрытой колбе обнаружили азот, кислород и аргон. Почему ее содержимое относят к смеси?","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Потому что все частицы в колбе имеют одну общую формулу.","Потому что несколько разных веществ находятся вместе и сохраняют свой состав.","Потому что прозрачное содержимое всегда является смесью.","Потому что при смешивании азот полностью превращается в кислород."],"answer":[1]}},"explanation":"В колбе находятся разные вещества. Их совместное присутствие не создает нового вещества с единой формулой.","hints":["Определите, сколько разных веществ названо в условии.","Не путайте нахождение веществ вместе и образование нового вещества."]},{"instruction":"Распределите названия по группам","content":"[[grouper-2]]","widgets":{"grouper-2":{"type":"grouper","labels":["Отдельные вещества","Смеси"],"items":[["Азот $N_2$","Кислород $O_2$","Водяной пар $H_2O$"],["Воздух","Смесь кислорода и аргона"]]}},"explanation":"Азот, кислород и вода в газообразном состоянии — отдельные вещества. Воздух и смесь кислорода с аргоном содержат несколько разных веществ.","hints":["Смотрите, называет ли карточка одно вещество или несколько вместе.","Газообразное состояние само по себе не превращает вещество в смесь."]}],"mix":1}

Состав сухого воздуха

Определение

Объемной долей компонента газовой смеси называют отношение объема данного газа к общему объему смеси.

Проценты показывают, сколько частей компонента приходится на $100$ частей всей смеси. Например, доля кислорода $21\%$ означает примерно $21\,\text{л}$ кислорода на $100\,\text{л}$ воздуха. Объемы сравнивают при одинаковых температуре и давлении.

Компонент	Приблизительная объемная доля
Азот $N_2$	$78\%$
Кислород $O_2$	$21\%$
Остальные газы вместе	$1\%$

В строку остальных газов уже входят аргон — около $0{,}9\%$, углекислый газ — около $0{,}03\%$ и другие компоненты. Их не прибавляют к указанному $1\%$. Небольшая доля означает малое содержание, а не отсутствие вещества.

Доли всех компонентов вместе составляют $100\%$. Чтобы найти долю остатка, из $100\%$ вычитают сумму известных долей. В округленной таблице $78\%+21\%=99\%$, поэтому на остальные газы приходится $1\%$. Газы распределены по всему объему: кислород не занимает отдельный угол комнаты.

{"questions":[{"instruction":"Какой компонент воздуха имеет наибольшую объемную долю?","content":"[[choice-3]]","widgets":{"choice-3":{"type":"choice","options":["Кислород $O_2$","Аргон $Ar$","Азот $N_2$","Углекислый газ $CO_2$"],"answer":[2]}},"explanation":"На азот приходится примерно $78\\%$ объема. Значимость кислорода для дыхания не определяет его долю в смеси.","hints":["Сравните доли компонентов по таблице или диаграмме.","Выберите наибольшее содержание, а не наиболее знакомую функцию газа."]},{"instruction":"В описании образца указано: «Доля азота $78\\%$». Как прочитать эту запись?","content":"[[choice-4]]","widgets":{"choice-4":{"type":"choice","options":["Примерно $78\\,\\text{л}$ азота на $100\\,\\text{л}$ всей смеси при одинаковых условиях","Примерно $78\\,\\text{л}$ азота в любом образце независимо от его объема","Азот находится только в отдельной части сосуда","Примерно $78\\,\\text{л}$ азота на $100\\,\\text{л}$ кислорода при одинаковых условиях"],"answer":[0]}},"explanation":"Процент относится к объему всей смеси, включая азот. Он не задает постоянный объем газа для любого сосуда и не выделяет газу отдельную область.","hints":["Свяжите процент с целым, которое рассматривается в условии.","Проверьте, сравнивает ли вариант объем компонента со всей смесью или только с другим газом."]}]}

Исследование состава воздуха

Как установить, что невидимый воздух содержит разные вещества? Можно использовать различие их химических свойств: связать один газ в новое вещество и исследовать остаток.

В опытах Лавуазье кислород воздуха соединялся с ртутью и переходил в твердый оксид. Газовая часть уменьшалась примерно на $\frac{1}{5}$ исходного объема, а около $\frac{4}{5}$ оставалось. Опыт показывал, что лишь часть воздуха участвовала в этом превращении.

Исторические оценки $20\%$ и $80\%$ приблизительны. Для современных учебных расчетов обычно принимают $21\%$ кислорода и $78\%$ азота. После удаления кислорода остаются азот, аргон и другие газы: преобладание азота не делает остаток чистым веществом.

{"questions":[{"instruction":"Из исследуемой газовой смеси полностью связали один компонент. Остальная газовая часть сохранилась. Какой вывод обоснован?","content":"[[choice-6]]","widgets":{"choice-6":{"type":"choice","options":["Смесь целиком состоит из связанного компонента.","Оставшийся газ обязательно является одним чистым веществом.","При удалении компонента все другие газы исчезают.","В смеси есть другие компоненты, которые не связались в этих условиях."],"answer":[3]}},"explanation":"Часть вещества вступила в реакцию, а другие компоненты остались газами. Их присутствие подтверждает неодинаковое поведение участников смеси.","hints":["Сравните то, что связалось, с тем, что осталось газом.","Не приписывайте остаточному газу более точный состав, чем позволяют сведения."]},{"instruction":"Из воздуха удалили только кислород. Можно ли без дальнейшего анализа назвать весь остаток чистым азотом?","content":"[[choice-7]]","widgets":{"choice-7":{"type":"choice","options":["Да: азот и кислород являются единственными газами воздуха.","Нет: кроме азота могут оставаться аргон и другие компоненты.","Да: прозрачность остатка доказывает наличие одного вещества.","Нет: после удаления кислорода остаток обязательно состоит только из воды."],"answer":[1]}},"explanation":"Удаление кислорода не удаляет остальные компоненты. Большая доля азота также не означает отсутствия других веществ.","hints":["Вернитесь к перечню компонентов, а не только к двум самым большим долям.","Не путайте преобладающее вещество и единственное вещество."]}],"mix":1}

Состав воздуха при дыхании

Организм получает кислород из вдыхаемого воздуха. Клетки используют его, а образующийся в организме углекислый газ выводится с выдохом. Поэтому состав выдыхаемого воздуха отличается от состава вдыхаемого.

Компонент	Во вдыхаемом воздухе	В выдыхаемом воздухе
Кислород $O_2$	Около $21\%$	Около $16\%$
Углекислый газ $CO_2$	Около $0{,}03\%$	Около $4\%$

Это приблизительные значения. Выдыхаемый воздух обычно содержит больше водяного пара, но в нем по-прежнему есть кислород, азот и другие газы. Дыхание меняет соотношение компонентов, а не превращает всю смесь в углекислый газ.

Если люди долго находятся в комнате при слабом притоке наружного воздуха, углекислый газ и водяной пар могут накапливаться. Проветривание заменяет часть воздуха помещения наружным воздухом. Это перенос газовой смеси, а не химическое превращение углекислого газа в кислород.

{"questions":[{"instruction":"Распределите компоненты по обычному изменению их долей при выдохе по сравнению со вдохом","content":"[[grouper-8]]","widgets":{"grouper-8":{"type":"grouper","labels":["Доля уменьшается","Доля увеличивается"],"items":[["Кислород"],["Углекислый газ","Водяной пар"]]}},"explanation":"Часть кислорода используется организмом. Углекислый газ и водяной пар добавляются к выдыхаемому воздуху.","hints":["Для двух газов используйте сравнительную таблицу.","Для воды вспомните, в каком состоянии она входит в выдыхаемый воздух."]},{"instruction":"После занятия класс проветрили. Как это может изменить состав воздуха при накоплении компонентов выдоха?","content":"[[choice-9]]","widgets":{"choice-9":{"type":"choice","options":["Углекислый газ химически превращается в азот.","Все газы помещения исчезают без замены.","Меняется только температура, а состав никогда не меняется.","Часть воздуха помещения заменяется наружным воздухом."],"answer":[3]}},"explanation":"Воздухообмен переносит смеси: часть воздуха класса удаляется, часть наружного поступает. Поэтому может уменьшаться накопление углекислого газа и водяного пара.","hints":["Не путайте движение воздуха и химическое превращение газа.","Проследите, откуда поступает воздух и какая часть смеси удаляется."]}],"mix":1}

Сравнение атмосфер

Атмосферы разных планет имеют разный состав. В земном воздухе преобладает азот, а в атмосфере Марса — углекислый газ: его доля составляет около $95\%$. Слово «атмосфера» обозначает газовую оболочку, но не задает определенное соотношение газов.

{"questions":[{"instruction":"Для расчетной модели марсианской атмосферы приняли долю углекислого газа $95\\%$. Какой вывод следует из этого условия?","content":"[[choice-10]]","widgets":{"choice-10":{"type":"choice","options":["Состав любой атмосферы совпадает с составом земного воздуха.","Кислород обязательно занимает большую часть этой смеси.","Углекислый газ является основным компонентом этой смеси.","Остальные газы занимают более половины общего объема."],"answer":[2]}},"explanation":"Доля $95\\%$ составляет большую часть целого. Название газовой оболочки не требует земного соотношения компонентов.","hints":["Сравните заданный процент с половиной и целым.","Используйте состав именно этой модели, а не таблицу земного воздуха."]},{"instruction":"В расчетной модели марсианской атмосферы углекислого газа $95\\%$. Какую долю составляют остальные газы вместе?","content":"[[choice-11]]","widgets":{"choice-11":{"type":"choice","options":["$5\\%$","$95\\%$","$21\\%$","$100\\%$"],"answer":[0]}},"explanation":"На всю смесь приходится $100\\%$. После вычитания доли углекислого газа остается $100\\%-95\\%=5\\%$.","hints":["Определите, какую часть целого уже занимает известный компонент.","Вычтите известную долю из доли всей смеси."]}],"mix":1}

Итоги

Воздух — смесь веществ, которые сохраняют свой состав. В земном воздухе около $78\%$ азота, $21\%$ кислорода и $1\%$ остальных газов. Процент компонента сравнивает его объем с объемом всей смеси, а доли вместе составляют $100\%$.
Химический опыт позволяет различить компоненты по их поведению. При дыхании доля кислорода уменьшается, а углекислого газа и обычно водяного пара увеличивается.
Проветривание обновляет смесь.
Газовые оболочки других планет могут иметь совсем иной состав.

Часто задаваемые вопросы

Почему у воздуха нет одной химической формулы?

В нем находятся разные вещества, например $N_2$, $O_2$ и $Ar$. Они сохраняют свой состав при смешивании и не образуют единого вещества «воздух».

Почему в таблице сухого воздуха нет водяного пара?

Сухой состав по определению рассматривают без водяного пара. Его содержание в реальном воздухе меняется, поэтому для влажного воздуха нужно отдельно учитывать воду и доли остальных газов.

Почему выдыхаемый воздух остается смесью?

Организм использует лишь часть поступившего кислорода. В выдохе сохраняются кислород, азот и другие газы, а углекислый газ и водяной пар добавляются к ним.

Награды за урок