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第四章 空气

Lesson 4/11 | Study Time: 18 Min


4.1 空气的成分



空气的成分



空气的主要成分


空气看不见摸不着,但它是我们生活中不可或缺的一部分。其实,空气是一种混合物,它由多种气体和杂质组成,各成分比例会因环境而变化。接下来,我们一起了解空气的秘密吧!










































成分 体积分数 特点/作用
氮气 78% 占比最大,主要用来稀释氧气,防止燃烧过于剧烈。
氧气 21% 人类和动物呼吸必需,燃烧离不开它。
稀有气体 0.94% 包括氦、氖、氩等,用于广告灯、气球等。
二氧化碳 0.03%~0.04% 植物光合作用的重要原料,还能使澄清的石灰水变浑浊。
水蒸气 0.002%~4% 让空气湿润,饼干变软就是因为它!
其他气体和杂质 0.03% 包括微量气体、尘埃和微生物,虽然少,但对环境和健康有影响。



空气成分比例会随环境变化


空气的“配方”并不是一成不变的,尤其是水蒸气的含量变化非常大:



  • 沿海地区或热带丛林:水蒸气含量可以高达 3%~4%,空气湿润,衣服容易发霉。

  • 沙漠或寒冷地区:水蒸气含量低至 0.002% 以下,空气干燥,皮肤容易干裂。




氧气的发现之旅


氧气是空气中最重要的成分之一,它的发现经历了科学家们的多次实验和探索:



























科学家 实验方法 发现
普利斯特里 加热氧化汞,得到一种让人感觉轻松舒适的气体。 发现这种气体燃烧更强烈,后来被命名为“氧气”。
舍勒 将软锰矿与浓硫酸加热,获得一种无色气体。 这种气体让红热木炭火花四溅,光芒耀眼。
拉瓦锡 重复普利斯特里的实验,研究氧化汞分解出的气体。 确认这种气体是“氧气”,并提出空气是由氧气和氮气组成的结论。



生活中的小知识



  • 为什么饼干会变软? 因为空气中的水蒸气被饼干吸收了。

  • 为什么夏天更闷热? 因为空气中的水蒸气含量高,导致空气湿度大,汗液不容易蒸发。

  • 为什么沙漠里不容易下雨? 因为沙漠空气中水蒸气含量极低,无法形成足够多的水汽凝结成雨滴。













4.2 氮气



氮气



氮气的基本性质


氮气是空气中最丰富的成分,占据了空气的4/5,它的特性和用途让它在生活和工业中扮演着重要角色。接下来,我们一起探索氮气的秘密吧!































属性 特点
颜色 无色。
气味 无味。
密度 比空气略小。
溶解性 难溶于水。
化学性质 - 性质不活泼,难与其他物质发生反应。
- 能冲淡氧气,使燃烧不剧烈。



氮气的获取:空气纤维膜技术


从空气中提取氮气,科学家们发明了一种高效的方法——空气纤维膜技术。



  • 原理:在压力作用下,不同气体在中空纤维膜中的吸附、扩散、渗透速率不同。

  • 渗透速率大的气体称为“快气”(如氧气、水蒸气),被富集到低压外侧。

  • 渗透速率小的气体称为“慢气”(如氮气),被富集到高压内侧。




氮气的用途


氮气因其化学性质不活泼和其他特性,广泛应用于各个领域:































用途 具体应用
食品保鲜 - 食品包装袋中充入氮气,防止食品与氧气反应。
- 有效防腐、保鲜。
工业原料 - 在高温下,氮气可以与其他物质反应,制造合成纤维、树脂、橡胶。
- 用于生产化肥和炸药。
农业 - 氮是蛋白质的重要组成元素,氮元素是植物的“养料”。
冷冻剂 - 液态氮气化时吸收大量热量,用于冷冻麻醉或保存人体组织。
- 冷冻胚胎(存储在-196℃液氮中)。
生物固氮 - 固氮微生物(如根瘤菌)将空气中的氮气转化为植物可吸收的含氮化合物。



生活中的氮气例子



  • 食品包装袋: 薯片包装袋中充满了氮气,防止食物变质,保持新鲜。

  • 液氮冷冻: 冰淇淋店用液氮制作冰淇淋时,白色“烟雾”快速冷冻食材。

  • 植物生长: 豆科植物根瘤菌将空气中的氮气转化为植物养分,改善土壤肥力。




氮气与生命的关系



  • 蛋白质的组成元素: 氮是构成蛋白质的重要成分,没有氮,生命无法存在。

  • 植物的氮元素来源: 通过生物固氮作用,氮气被转化为植物可吸收的含氮化合物,帮助植物生长。













4.3 稀有气体



稀有气体



稀有气体的种类


稀有气体是空气中含量极少的一类气体,它们由于化学性质非常不活泼,被称为“惰性气体”。这些气体虽然稀少,但在生活和工业中有着广泛的应用。



  • 氦气 (He)

  • 氖气 (Ne)

  • 氩气 (Ar)

  • 氪气 (Kr)

  • 氙气 (Xe)




稀有气体的性质























性质 特点
惰性气体 化学性质非常不活泼,通常不与其他物质发生反应。
稀有气体 在特定条件下,能与某些物质发生反应,生成新物质(如氙气可生成氙化物)。
无色无味 气体本身无色无味,通电时可发出不同颜色的光。



稀有气体的提取


稀有气体主要从液态空气分离中提取:



  • 空气液化:将空气冷却至液态。

  • 分馏:通过不同气体的沸点差异分离出稀有气体。




稀有气体的用途































稀有气体 用途
氦气 (He) - 用于填充气球或飞艇,因其轻且不会爆炸。
- 深海潜水氧气筒中加入氦气,避免潜水病。
- 液态氦用于制造超低温环境。
氖气 (Ne) - 通电后发出红光,用于制作霓虹灯。
氩气 (Ar) - 通电后发出蓝光,用于霓虹灯和荧光灯。
- 用作焊接时的保护气体,防止金属氧化。
氪气 (Kr) - 填充电弧灯,用于飞机跑道标示灯,灯光能穿透浓雾。
氙气 (Xe) - 用于灯塔、照相机闪光灯,发出强烈光线。
- 液态氙可用于冷冻麻醉。



稀有气体与光


稀有气体通电后能发出不同颜色的光,这一特性使它们成为灯光技术的重要材料:



  • 氖气:发出红光,用于制作霓虹灯。

  • 氩气:发出蓝光,也可用于霓虹灯和荧光灯。

  • 氪气:填充电弧灯,标示飞机跑道,灯光能穿透300米以上的浓雾。

  • 氙气:发出强烈光线,用于灯塔和照相机闪光灯。




放射性稀有气体:氡气


氡气的来源:氡气是由镭、钍等放射性元素的原子核发生变化时产生的,具有放射性。


健康威胁:氡气被列为世界卫生组织的19种主要致癌物质之一,需要特别注意其对健康的危害。