Воздух. 
Общая химия

Воздух представляет собой газовую смесь, из которой состоит атмосфера Земли, простирающаяся до высоты около 1000 км и плавно переходящая в межпланетное пространство. Слово «atmos» по-гречески означает пар. Атмосфера Земли уникальна по своему составу, так как нигде больше в Солнечной системе не обнаружено такое высокое содержание кислорода, как в нашем воздухе. Помимо воздуха атмосферу составляют лишь аэрозоли в виде туманов (включая облака), дыма и пыли. Эти составляющие атмосферы имеют незначительную массу, но сравнению с массой воздуха. Самым очевидным отличием атмосферы от других оболочек Земли является агрегатное состояние. При имеющемся в земных условиях атмосферном давлении воздух оказывается наименее плотной и наиболее прозрачной оболочкой Земли. От гидросферы и земной коры газовая оболочка Земли отличается падением плотности по мере удаления от поверхности Земли. Уменьшение плотности воздуха по высоте приводит к отсутствию четкой верхней границы атмосферы. По сравнению с гидросферой Земли и земной корой воздух имеет наиболее постоянный относительный состав. Это обеспечивается достаточно большой скоростью перемещения воздушных масс в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Важнейшее значение воздуха состоит в том, что он непосредственно служит средой, в которой существуют все наземные живые организмы. Колебания физического состояния и состава воздуха немедленно отражаются на жизнедеятельности и самочувствии. Наиболее важна энергетическая роль одной из главных составляющих воздуха — кислорода. Кислород, поглощаемый кровью из воздуха в процессе дыхания, служит окислительным компонентом экзотермических процессов в живых организмах. Восстановительные компоненты (углеводы, жиры) поступают с нищей. На окисление каждого грамма углеводов расходуется приблизительно 1,1 г кислорода, а на окисление 1 г жиров — 3 г кислорода. Конечно, доступность кислорода и отсутствие у него непосредственной стоимости освобождают человека от таких забот, которые связаны с обеспечением пищей.

Состав воздуха характеризуется наличием основных компонентов с постоянным содержанием и примесей, содержание которых сильно варьирует в разных регионах и местностях. В табл. 7.1 приведен состав воздуха, включающий 11 газов. Содержание азота и кислорода настолько сильно превышает содержание прочих газов, что во многих задачах принимают, что воздух состоит из азота и кислорода («условный воздух»). Многие физические свойства воздуха зависят от этих двух газов. Среди газов с низким содержанием наибольшее значение имеют пары воды и углекислый газ. Содержание паров воды (влажность воздуха) подвержено сильному изменению в зависимости от местности и погоды. Углекислый газ является необходимым веществом для фотосинтеза. Его значение для биосферы Земли фундаментально. На содержание углекислого газа серьезным образом влияет возрастающий масштаб потребления топлива. За последние 50—60 лет доля С0₂ в воздухе увеличилась на 0,005%, а относительно исходного содержания самого С0₂ — на 15%. Это газ, создающий парниковый эффект. Увеличение его содержания в атмосфере влечет за собой глобальное потепление, сопряженное с различными опасностями для биосферы.

Таблица 7.1

Усредненный состав воздуха.

Большинство атмосферных газов находятся в состоянии обмена с земной корой, гидросферой и биотой (под биотой подразумевается совокупность живых организмов). Для молекул самых легких газов, водорода и гелия, достаточно велика вероятность приобретения скорости, необходимой для улетучивания в межпланетное пространство. Атмосфера постепенно теряет эти газы. В то же время водород постоянно образуется за счет фотохимической диссоциации воды, а гелий (в виде а-частиц) является продуктом распада урана, тория и промежуточных элементов в цепочках их превращений. Гелий понемногу выделяется из горных пород, содержится в подземных водах в местах залегания урановых руд.

В целом атмосфера находится в стационарном состоянии, которое в отношении углекислого газа и некоторых примесей нарушается воздействием антропогенного фактора. Важной характеристикой атмосферных газов является время пребывания в атмосфере, равное, в случае стационарного состояния, отношению общего содержания в атмосфере к годовому поступлению и в то же время годовому стоку:

где т — время пребывания в атмосфере, А — общее содержание газа в атмосфере, F_BX и F_BbIX — годовое поступление и годовой сток.

Рассмотрим в качестве примера метан. Его общее содержание в атмосфере оценивается в 4,8- 10⁹т. Ежегодно с поверхности болот, из угольных пластов и в районах добычи природного газа в атмосферу попадает приблизительно 5*10⁸т метана. Отсюда можно получить время пребывания метана в атмосфере — 9,8 лет. Сток метана обусловлен его медленным окислением атмосферным кислородом, участием метана в горении вместе с тем топливом, которое сжигается для хозяйственных целей и в постоянно бушующих лесных пожарах.

Одним из существенных факторов атмосферных химических процессов является фотодиссоциация кислорода:

Атомы кислорода реагируют с молекулами 0₂, образуя озон 0₃, который постепенно превращается в обычный кислород. На высоте 15—20 км устанавливается баланс между образованием под действием излучения и разложением озона, т. е. стационарное состояние. Баланс может нарушаться переносом в этот слой атмосферы некоторых антропогенных веществ (фторированных углеводородов и др.) от поверхности Земли. Подобного рода молекулы, не свойственные для чисто природных процессов, ускоряют разложение озона, что вызывает появление «озоновых дыр». Это весьма тревожное явление, данные о котором доходят до средств массовой информации. Ничтожные количества озона, появляющиеся и в нижних слоях атмосферы, воздействуют на различные материалы, постепенно разрушая их. Хорошо известно старение и растрескивание резиновых изделий. Это результат воздействия атомов кислорода, молекул озона и других активных частиц.

Приведенные примеры характеризуют участие атмосферных газов в процессах, протекающих в самой атмосфере и на твердых поверхностях, граничащих с воздухом. Физика и химия атмосферы составляют отдельную отрасль наук о Земле, экологии и химии, практическое значение которых постоянно возрастает в результате роста потребления энергии, промышленных выбросов в атмосферу, быстрого роста населения Земли.