空气的组成 | 自在学

空气的组成

空气是人类生命最直接、最不可或缺的依赖。从我们睁开眼睛的第一刻，到夜晚安然入睡，每一分每一秒都离不开空气的怀抱。空气的存在，对人来说是如此平凡而又重要，以至于我们很少会主动去思考它的本质。然而，空气并不是一种简单、单一的气体，而是由各种不同的气体成分以一定比例共同组成的混合物。这些成分各有自身的特性与作用，有的维系生命，有的影响环境，还有的被广泛应用于工业和医疗等领域。了解空气的组成，不仅是科学探索的第一步，更是理解自然界物质变化奥秘的起点——就像推开化学世界大门的钥匙，为我们的知识旅程点亮第一盏明灯。

空气的发现历程

在18世纪以前，人们普遍认为空气是一种单纯的物质，不可再分。直到1774年，法国化学家拉瓦锡（Lavoisier）通过对汞的加热实验，才第一次用科学方法揭示了空气的真实面目。

拉瓦锡将汞放在密闭容器中加热，发现汞的表面逐渐生成了红色的氧化汞，同时容器内气体体积明显减少，减少量约为原来的 $\dfrac{1}{5}$ 。剩余的气体不能支持燃烧，也不能维持生命。他由此得出结论：空气中有两种截然不同的成分，一种能支持燃烧和呼吸，一种不能。

拉瓦锡的这一实验是化学史上的里程碑。他用定量的方法代替了模糊的猜测，证明了空气是混合物，而不是单一物质。这种“用数据说话”的思维方式，正是化学研究的基本精神。

这种能支持燃烧的成分，后来被命名为“氧气”（ $O_2$ ）；不能支持燃烧的成分，则主要是“氮气”（ $N_2$ ）。

空气的组成成分

经过后来大量科学家的精确测定，现代化学已经清楚地掌握了空气的成分与比例。空气按体积分数计算，主要由以下成分构成：

空气中氮气约占 $78\%$ ，氧气约占 $21\%$ ，两者合计已超过 $99\%$ 。其余成分虽然含量极少，但在工业、医疗、气候变化等方面都具有重要意义。

从上表可以看出，空气中绝大多数是氮气，而我们平时用于呼吸的氧气只占约五分之一。

测定氧气含量的实验

如何用实验来验证空气中氧气的含量约为 $\dfrac{1}{5}$ ？这是一个经典的化学实验。

实验装置说明

取一根集气瓶，内置少量红磷，底部连接一根导管通入水槽。点燃红磷后立即将集气瓶密封，观察现象。

实验现象

红磷在集气瓶内剧烈燃烧，产生大量白烟。燃烧停止后，冷却至室温，打开导管阀门，水槽中的水被吸入集气瓶内，进入的水约占集气瓶体积的 $\dfrac{1}{5}$ 。

实验原理

红磷燃烧时消耗了瓶内的氧气，反应如下：

4P + 5O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2P_2O_5

氧气被消耗后，瓶内气压降低，外部大气压将水压入瓶中，进入的水的体积即对应被消耗的氧气体积。

实验时必须确保装置气密性良好，否则外部空气漏入会导致进水量偏少，测量结果偏低。另外，红磷必须足量，确保将氧气充分消耗。

结论

\text{氧气体积分数} = \frac{\text{进入水的体积}}{\text{集气瓶总体积}} \approx \frac{1}{5} = 20\%

例题一

某同学做测定空气中氧气含量的实验，集气瓶容积为 $250\,\text{mL}$ ，实验结束后进入瓶中的水为 $40\,\text{mL}$ ，试问该实验测得的氧气体积分数是多少？与理论值相比偏低还是偏高？

\text{氧气体积分数} = \frac{40}{250} \times 100\% = 16\%

理论值约为 $21\%$ ，该结果偏低。原因可能是：装置气密性不好导致空气漏入，或红磷用量不足，氧气未被完全消耗。

氮气的性质与用途

氮气是空气中含量最多的气体，占空气体积的约 $78\%$ 。尽管含量如此之高，它却“低调”得让人几乎感受不到它的存在。

下次吃薯片时，注意袋子鼓鼓的——里面充的就是氮气。氮气不影响食物口感，也不与食物反应，却能有效阻隔氧气，防止脂肪氧化变味。这是化学知识在食品工业中最常见的应用之一。

稀有气体

空气中还含有约 $0.94\%$ 的稀有气体，主要包括氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）等。这类气体因为化学性质极不活泼，几乎不与任何物质发生反应，所以早期被称为“惰性气体”，后来改称“稀有气体”或“贵族气体”。

常见稀有气体及其应用

gemini-svg (7).svg

霓虹灯的名字来自“neon”（氖），但现在市面上“霓虹灯”中用的气体种类很多，不同气体通电后发出不同颜色的光：氖发红色，氩发蓝紫色，氦发黄色。这是稀有气体最直观的生活化应用。

空气是混合物

认识了空气的各种成分之后，有一个概念需要明确：空气是混合物，而不是纯净物。

混合物是指由两种或两种以上的物质混合在一起，各成分之间没有发生化学反应，各自保留着原来的性质。空气中氮气是氮气，氧气是氧气，二氧化碳是二氧化碳，它们各自独立存在，彼此之间并不发生化学变化。

混合物与纯净物的对比

空气中各成分的比例在地球大气层不同高度、不同地区会有细微差异，但在接近地面的对流层中，主要成分的比例相当稳定。这也说明地球大气系统在漫长的演化过程中达到了一种动态平衡。

例题二

下列物质中，属于混合物的是哪些？

空气质量与污染

空气的组成在自然状态下是相对稳定的，但工业生产和人类活动会向大气中排放各种污染物，改变空气的成分，影响人体健康和生态环境。

常见的空气污染物来源如下：

一氧化碳（ $CO$ ）是一种无色无味的气体，在密封空间内（如冬天关闭门窗的室内用煤炉取暖）极易积累。 $CO$ 与血红蛋白的结合能力是氧气的200多倍，一旦吸入过量会迅速导致中毒甚至死亡。冬季取暖务必保持通风。

空气质量指数（AQI）是衡量空气污染程度的标准指标。AQI 数值越高，表示空气污染越严重，对人体健康的威胁也越大。

练习题

选择题

第一题　下列关于空气组成的说法，正确的是（　　）

A. 空气中含量最多的是氧气，约占体积的 $78\%$

B. 空气中氮气约占体积的 $78\%$ ，氧气约占 $21\%$

C. 空气中二氧化碳的含量约为 $21\%$

D. 空气中稀有气体的含量约为 $21\%$

第二题　用红磷燃烧测定空气中氧气含量的实验中，若进入集气瓶的水明显少于 $\dfrac{1}{5}$ ，最可能的原因是（　　）

A. 实验前导管内没有排尽空气

B. 红磷用量过多

C. 装置气密性不好，外部空气漏入

D. 点燃红磷后立即密封了瓶口

第三题　氮气被广泛用于食品包装中充气保鲜，主要是利用了氮气的哪种性质？（　　）

A. 氮气无色无味，不影响食品外观

B. 氮气密度小，能使包装袋鼓起

C. 氮气化学性质稳定，不与食品发生反应

D. 氮气沸点低，能使食品保持低温

第四题　下列物质中，属于纯净物的是（　　）

A. 空气

B. 食盐水

C. 液氧

D. 天然气

计算题

第五题　某次实验中，集气瓶的容积为 $500\,\text{mL}$ 。用红磷燃烧法测定空气中氧气的含量，实验结束冷却后，测得进入瓶中水的体积为 $95\,\text{mL}$ 。

（1）计算该实验测得的氧气体积分数；

（2）与理论值 $21\%$ 相比，结果是否准确？若偏低，请分析一个可能的原因。

第六题　空气中氮气的体积分数约为 $78\%$ ，氧气约为 $21\%$ ，稀有气体约为 $0.94\%$ ，二氧化碳约为 $0.04\%$ ，其他成分约为 $0.02\%$ 。现有一个体积为 $10\,\text{L}$ 的密封容器，内充满空气。

（1）计算其中氧气的体积；

（2）计算其中氮气的质量（已知在该条件下氮气的密度为 $1.25\,\text{g/L}$ ）。