空气(一)

官方化学老师·16 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·3 天前
空气成分大气压强气体定律

空气(一)

搞懂空气是什么、压强从何而来、气体如何被压缩

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空气成分大气压强气体定律

空气(一)

搞懂空气是什么、压强从何而来、气体如何被压缩

1第 1 页 · 空气(一)

用体积分数描述空气成分

上一节我们了解了空气是多种物质的混合物。那『空气中氮气约占 78%』这个数字,是按什么算出来的?化学家为什么偏偏用体积,而不是质量?

体积分数 φᵢ
某组分体积 Vᵢ 占混合气体总体积的百分比,反映气体在空间中所占的份额
为何用体积
气体分子间距远大于自身大小,同温同压下体积只取决于分子数,与分子种类无关
空气典型组成
N₂≈78%、O₂≈21%、稀有气体 0.94%、CO₂ 0.03%,余下为水蒸气等其他气体
分数加和性
各组分的体积分数之和恰好为 100%,这是混合气体体积分数的核心性质
100 个相同大小的气球对应 →空气中的气体分子

78 个红气球占总空间 78%,因为每个气球占据的空间相同

φi=ViV×100%\varphi_i = \dfrac{V_i}{V_{\text{总}}} \times 100\%
2第 2 页 · 用体积分数描述空气成分

通过燃烧消耗氧气测定含量

上一页我们说氧气约占空气的 1/5——这个数字怎么来的?18 世纪化学家没仪器,就用一招:让红磷在密闭容器里燃烧,把氧气「吃」光,再算体积差。

核心原理
密闭容器中燃烧红磷,磷只与氧气反应,气体减少量等于消耗氧气量
为何选红磷
产物五氧化二磷是固体而非气体,不占据气体体积,测得的气体减少量就是氧气量
水位倒流测量
氧气消耗使瓶内气压减小,烧杯中的水沿导管被大气压压入瓶中
定量结果
进入瓶中的水约占原空气体积的 1/5,由此得出氧气体积分数约 21%
杯中水被喝掉一半对应 →氧气在容器中被燃烧消耗

杯里少掉的水量就等于喝掉的量——同理,瓶内气体少了多少,进入瓶中的水就有多少

VO215V空气V_{O_2} \approx \dfrac{1}{5} V_{\text{空气}}
3第 3 页 · 通过燃烧消耗氧气测定含量

根据燃烧现象判断气体是否

上一页我们用燃烧把氧气消耗掉来测含量,反过来——燃烧现象本身也能告诉我们某种气体『养不养得起火』。这就是氧气检验的底层逻辑。

判定逻辑
将带火星的木条伸入待测气体中,观察木条燃烧的变化
支持燃烧
木条复燃或燃烧更剧烈 → 气体含 O₂ 等助燃气体
不支持燃烧
木条立即熄灭 → 气体不支持燃烧(如 N₂、CO₂)
典型应用
区分 O₂ 与空气:O₂ 中更旺,空气中无明显变化
往火上扇风 vs 往火上盖被子对应 →助燃气体 vs 不助燃气体

扇风送氧气火更旺,盖被隔绝氧气火就灭

4第 4 页 · 根据燃烧现象判断气体是否

阅读和解读空气质量日报

我们已经知道空气里有氧气、氮气,但城市里的空气还混进了不少杂质。怎么判断今天的空气能不能放心深呼吸?这就要看空气质量日报。

AQI 空气质量指数
把六种污染物浓度换算成 0~500 的一个综合数值
六大监测项目
PM2.5、PM10、SO₂、NO₂、O₃、CO
六级等级划分
优、良、轻度、中度、重度、严重污染
首要污染物
贡献最大的那一种,决定当天 AQI 数值
健康建议
按等级提示是否适合户外活动和佩戴口罩
体检报告对应 →空气质量日报

多项指标压成一个综合分,再按等级给出行动建议

5第 5 页 · 阅读和解读空气质量日报

用图表表示空气质量变化

上节课你会读单日的空气质量日报了。但如果想看一周甚至一个月空气是变好了还是变差了,光靠一串数字可不够——这时候就需要图表来帮忙。

折线图最常用
横轴是时间、纵轴是数值,连线显示变化趋势
横轴:时间
按需选小时、天或月,刻度均匀递增
纵轴:浓度或AQI
数值越大表示污染越严重,注意单位
看趋势找规律
上升=恶化、下降=改善、波动=不稳定
心率监护仪波形对应 →空气质量折线图

横轴都是时间、纵轴都是指标,曲线起伏都能一眼看出「健康」或「污染」状况

6第 6 页 · 用图表表示空气质量变化

空气

上页我们用数字描述了空气——78%、21%……但这些数字背后,空气到底是什么?你呼吸时感觉到风、用气筒打气时感到阻力,说明它不是「空」的,而是真实存在的物质。

空气是混合气体
无色无味,由N₂、O₂等多种气体混合,没有固定化学式
有质量有压强
1L空气约1.29g,可被压缩打进篮球,证明占据空间
成分各司其职
O₂助燃,N₂化学性质稳定不活泼,CO₂参与光合
一支球队对应 →空气成分

球员各司其职组成球队,气体各司其职组成空气,整体表现不等于个体简单叠加

7第 7 页 · 空气

空气的成分

你每呼吸一次,吸进的气体里其实'五颜六色'——不全是氧气,也不全是同一种东西。上页我们学了用体积分数衡量成分,这页来看看空气里到底装了些什么。

氮气(N₂)
体积分数约 78%,化学性质稳定,不支持燃烧
氧气(O₂)
体积分数约 21%,支持燃烧和呼吸
稀有气体
氦、氖、氩等,约 0.94%,几乎不参与反应
二氧化碳(CO₂)
体积分数约 0.04%,参与光合作用和碳循环
空气是混合物
各成分独立混合,不发生化学反应,可物理分离
100 人的班级对应 →空气成分

78 人对应氮气,21 人对应氧气,剩 1 人按比例分稀有气体和二氧化碳

8第 8 页 · 空气的成分

纯净物

用体积分数描述空气时,氮气七八成、氧气二成出头——比例的存在本身就说明空气是混合物。反过来想:如果一种物质从头到尾只有一种成分,会是什么样的?这就是今天我们要建立的'纯净物'概念。

定义
由一种物质组成,不能用物理方法再分离出其他物质(如纯氧气、纯水)
组成固定
各元素质量比确定不变——水中 H 与 O 质量比恒为 1∶8
性质固定
有确定的熔点、沸点、密度(如纯水凝固点恒为 0℃)
微观本质
由同种分子(或原子、离子)构成,微观上种类单一
24K 纯金首饰对应 →纯净物

通体只有 Au 一种物质,密度熔点都固定;18K 金混入铜锌就成了混合物

9第 9 页 · 纯净物

混合物

上一页我们看到空气里有氮气、氧气、二氧化碳等多种气体——它们是「混在一起」还是「化合在一起」?这就引出了混合物。

定义
两种或两种以上物质混合而成,组分间没有发生化学反应
无固定组成
各成分的比例可变化,如不同地区空气组成略有差异
各组分保持原性
每种物质仍保留自己原有的化学性质,互不干扰
可用物理方法分离
如冷凝、溶解、过滤等,不需经过化学反应
水果沙拉对应 →混合物

苹果丁、香蕉片混在一起,每种水果保持自己味道,可以挑出来

10第 10 页 · 混合物

氧气

上一页我们用燃烧法测出氧气约占空气体积的 21%,那氧气本身到底是什么样的物质?它为什么能让燃烧发生得更剧烈?

化学组成
氧元素组成的单质,常温常压下以 O₂ 双原子分子形式存在
物理性质
无色、无味、不易溶于水,密度比空气略大
化学性质
化学性质较活泼,本身不燃烧,但能支持燃烧
生命角色
需氧生物有氧呼吸的反应物,参与细胞能量释放过程
典型应用
医疗供氧、气焊气割、炼钢、火箭液氧助燃
双人舞中的搭档对应 →氧气在反应中的角色

燃烧是氧气和可燃物的双人舞,缺一个舞伴都跳不成

C+O2点燃CO2C + O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} CO_2
11第 11 页 · 氧气

氮气

上页我们画出了空气的成分饼图——氧气占 21%,那剩下那块最大的 78% 是什么?它就是今天的主角:氮气。

化学式 N₂
两个氮原子以三键结合,键能极高,结构很牢固
空气中最多的气体
体积分数约 78%,约为氧气含量的近 4 倍
化学性质不活泼
常温下很难与其他物质反应,被称为「惰性」气体
典型应用
保护气(焊接、灯泡)、液氮制冷、制氨气做氮肥
班级里安静的大多数对应 →氮气在空气中的角色

人数最多(78%),平时不主动「发言」(不参与反应),需要稳定氛围时反而靠它撑场

12第 12 页 · 氮气

稀有气体

灯泡里充的气能保护灯丝,霓虹灯五颜六色的光来自哪里?答案都藏在一群'懒得搭理别人'的气体里——稀有气体。

定义
周期表第18族(0族)元素,常温常压下为气体,化学性质极不活泼
结构特点
最外层电子已达稳定(氦2个,其余8个),不易得失电子
六种成员
氦He、氖Ne、氩Ar、氪Kr、氙Xe、氡Rn
典型应用
氩作焊接保护气、氖制霓虹灯、氦充气球、氙用于闪光灯
满员的电梯对应 →稀有气体的稳定结构

电梯满员后再挤不进人;电子已满的稀有气体也很难再和其他原子结合

13第 13 页 · 稀有气体

空气是混合物

我们已经知道,空气成分可以用体积分数来描述;那么这些成分是固定结合,还是以不同比例共存呢?

多种物质共存
空气由氮气、氧气、稀有气体、二氧化碳和水蒸气等组成,不是一种单一物质。
配比可变化
各成分比例通常在一定范围内变化,湿度、地点和污染状况都会影响空气组成。
保持各自性质
各成分没有发生化学反应形成新物质,仍保留自身性质;空气的总体表现由配比共同决定。
按差异分离
利用各气体液化温度等差异,工业上将空气液化后分馏,可制得氮气、氧气等产品。
一锅汤对应 →空气混合物

汤中的盐、蔬菜和肉彼此共存、比例可调;空气中的多种成分也以类似方式共处。

14第 14 页 · 空气是混合物

本节要点

  • 气体成分用体积分数描述,因体积比直接对应测量手段
  • 定量实验核心:让目标气体参与可观测反应
  • 燃烧现象的差异是鉴别气体身份的关键证据
  • 空气质量关注污染物,氮氧比例近乎恒定
  • 数据可视化比单看数值更能发现变化趋势
延伸主题:氧气的实验室制取氮气与稀有气体的用途空气污染的来源与防治
15第 15 页 · 本节要点

课后思考

请先合上参考答案区独立思考,再对照验证思路。

1为什么说空气是混合物而不是纯净物?请从定义和实验现象两个角度说明。

参考答案混合物由多种物质混合而成,各成分保持原有性质,组成不固定。空气由氮气、氧气、稀有气体等混合,体积分数由实验测得,无固定化学式。

2炒菜油烟弥漫与冬季紧闭门窗,两种情况下室内主要污染物有何不同?为什么?

参考答案炒菜主要增加PM2.5与VOCs等颗粒物与挥发性有机物;冬季紧闭门窗使CO₂、甲醛等室内污染物因通风差而累积。来源不同决定污染物种类不同。

3若在月球密闭舱内营造人工空气,还需要按体积分数调配吗?为什么?

参考答案仍需调配。人体呼吸需持续供给约21%的氧气并排出CO₂,过高会氧中毒,过低会缺氧。体积分数由生理需求决定,与地点无关。

16第 16 页 · 课后思考