🌬️

Σύσταση του Ατμοσφαιρικού Αέρα

Η ατμόσφαιρα και τα στρώματά της, άζωτο, οξυγόνο, αργό, διοξείδιο του άνθρακα, υδρατμοί — πειράματα ανίχνευσης

Γιατί το αναποδογυρισμένο ποτήρι δεν γεμίζει νερό;

Βύθισε ένα άδειο ποτήρι ανάποδα σε μια λεκάνη: το νερό μπαίνει μόνο λίγο. Τρύπησε τον πάτο με μια καρφίτσα — βγαίνουν φυσαλίδες και το ποτήρι γεμίζει. Κάτι αόρατο εμπόδιζε το νερό: ο αέρας. Τον νιώθεις όταν φυσάει ή όταν τρέχεις με το ποδήλατο, αλλά από τι ακριβώς αποτελείται;

Η ατμόσφαιρα

Η Γη περιβάλλεται από ένα στρώμα αερίων, την ατμόσφαιρα, που τη συγκρατεί η βαρύτητα και φτάνει περίπου τα 1.600 km. Η σύστασή της αλλάζει με το ύψος, γι' αυτό τη χωρίζουμε σε στρώματα (από κάτω προς τα πάνω):

Τροπόσφαιρα: εδώ υπάρχει η ζωή και διαμορφώνονται τα καιρικά φαινόμενα.
Στρατόσφαιρα: περιέχει το όζον ( $O_3$ ), που απορροφά μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας και προστατεύει τους οργανισμούς.
Μεσόσφαιρα και ιονόσφαιρα (θερμόσφαιρα), με σημαντική περιεκτικότητα σε ιόντα.

Με τη λέξη αέρας εννοούμε το κατώτερο στρώμα της ατμόσφαιρας. Ο αέρας είναι μείγμα αερίων.

Η σύσταση του ξηρού αέρα

Κοντά στην επιφάνεια της θάλασσας, σε ξηρό αέρα (χωρίς υδρατμούς), περιεκτικότητα % v/v:

Άζωτο $N_2$ : $78{,}08\%$
Οξυγόνο $O_2$ : $20{,}95\%$
Αργό $Ar$ : $0{,}93\%$
Διοξείδιο του άνθρακα $CO_2$ : περίπου $0{,}04\%$ (το βιβλίο δίνει $0{,}03\%$ — η τιμή αυξάνεται τις τελευταίες δεκαετίες)
Άλλα αέρια: περίπου $0{,}01\%$

Οι υδρατμοί ποικίλλουν ανάλογα με τον τόπο, την ώρα και την εποχή. Οι περιεκτικότητες είναι % v/v — θυμήσου την περιεκτικότητα όγκο προς όγκο.

$\text{αέρας} \approx 78\%\ N_2 + 21\%\ O_2 + 0{,}93\%\ Ar + 0{,}04\%\ CO_2 \quad (\% \ v/v)$

Γρήγορος έλεγχος

Ποιο είναι το συστατικό του αέρα που βρίσκεται σε μεγαλύτερη αναλογία;

Πώς αποδεικνύουμε τα συστατικά του αέρα

Οξυγόνο: σκεπάζεις ένα αναμμένο κερί με αναποδογυρισμένο ποτήρι και μετά από λίγο σβήνει. Για να καεί χρειάζεται οξυγόνο· όταν το οξυγόνο στο ποτήρι λιγοστέψει, η φλόγα σβήνει.
Διοξείδιο του άνθρακα: αφήνεις διαυγές ασβεστόνερο στον αέρα και σε λίγες μέρες σχηματίζεται κρούστα από ανθρακικό ασβέστιο, αδιάλυτο στο νερό — προϊόν αντίδρασης του ασβεστόνερου με το $CO_2$ του αέρα.
Υδρατμοί: σταγόνες σχηματίζονται στο παγωμένο κουτάκι ή στο ποτήρι με τον παγωμένο καφέ (υγροποίηση).

Μέθοδος: υπολογισμοί με τη σύσταση του αέρα

Γράψε τον όγκο του αέρα στις ίδιες μονάδες (L ή $\text{m}^3$ · $1\ \text{m}^3 = 1000\ \text{L}$ ).
Πολλαπλασίασε με το ποσοστό % v/v του αερίου διά 100.
Για όγκο δωματίου: $V = \text{μήκος} \cdot \text{πλάτος} \cdot \text{ύψος}$ .

Παράδειγμα — πόσο οξυγόνο έχει η τάξη; Μια αίθουσα έχει διαστάσεις $8\ \text{m} \times 6\ \text{m} \times 3\ \text{m}$ .

Λύση: Όγκος αέρα $V = 8 \cdot 6 \cdot 3 = 144\ \text{m}^3$ . Οξυγόνο: $\dfrac{20{,}95}{100} \cdot 144 \approx 30{,}2\ \text{m}^3$ . Άζωτο: $\dfrac{78{,}08}{100} \cdot 144 \approx 112{,}4\ \text{m}^3$ .

Απάντηση: περίπου $30\ \text{m}^3$ οξυγόνο και $112\ \text{m}^3$ άζωτο. Γι' αυτό πρέπει να αερίζουμε την τάξη: οι αναπνοές καταναλώνουν οξυγόνο και προσθέτουν $CO_2$ .

Παράδειγμα — ποιο συστατικό ευθύνεται;

Σκληραίνει ο σοβάς των τοίχων → διοξείδιο του άνθρακα (σχηματίζεται ανθρακικό ασβέστιο).
Η «δροσιά» στο γρασίδι τις αυγουστιάτικες νύχτες → υδρατμοί (υγροποίηση).
Καίγεται ένα κερί → οξυγόνο.

Λυμένη άσκηση (τύπου διαγωνίσματος):

Δεδομένα: $500\ \text{L}$ ξηρού αέρα. Σύσταση: $N_2$ $78{,}08\%$ , $O_2$ $20{,}95\%$ , $Ar$ $0{,}93\%$ v/v.

Ζητούμενα: (α) Όγκος αζώτου, οξυγόνου και αργού. (β) Σε ποιο στρώμα της ατμόσφαιρας βρίσκεται αυτός ο αέρας, αν τον αναπνέουμε; (γ) Γιατί το αργό δεν «φαίνεται» σε κανένα από τα απλά πειράματα;

Λύση:

(α) $N_2$ : $\dfrac{78{,}08}{100} \cdot 500 = 390{,}4\ \text{L}$ · $O_2$ : $\dfrac{20{,}95}{100} \cdot 500 = 104{,}75\ \text{L}$ · $Ar$ : $\dfrac{0{,}93}{100} \cdot 500 = 4{,}65\ \text{L}$ .

(β) Στην τροπόσφαιρα, όπου υπάρχει η ζωή.

(γ) Το αργό δεν καίγεται, δεν συντηρεί την καύση και δεν αντιδρά με το ασβεστόνερο — είναι αδρανές.

Απάντηση: $390{,}4$ L, $104{,}75$ L, $4{,}65$ L· τροπόσφαιρα.

Γρήγορος έλεγχος

Τι αποδεικνύει η κρούστα που σχηματίζεται σε διαυγές ασβεστόνερο αφημένο στον αέρα;

Γρήγορος έλεγχος

Σε ποιο στρώμα της ατμόσφαιρας βρίσκεται το όζον που μας προστατεύει από μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας;

Ήξερες ότι;

Το αργό πήρε το όνομά του από την ελληνική λέξη «αργός» (τεμπέλης, αδρανής), επειδή σχεδόν δεν αντιδρά με τίποτα. Το ανακάλυψαν το 1894 οι Βρετανοί Rayleigh και Ramsay — και είναι το τρίτο σε αφθονία αέριο του αέρα, πολύ περισσότερο από το διοξείδιο του άνθρακα.

Κόλπο μνήμης

Ο αέρας είναι «4 προς 1»: περίπου 4 μέρη άζωτο για κάθε 1 μέρος οξυγόνο ( $78 : 21$ ). Σε ένα μπαλόνι αέρα, τα τέσσερα πέμπτα είναι άζωτο!

Πρόκληση

Πριν από δισεκατομμύρια χρόνια η ατμόσφαιρα της Γης είχε πάνω από 80% διοξείδιο του άνθρακα, περίπου 10% άζωτο, λίγο υδρογόνο και καθόλου οξυγόνο. (α) Από πού προήλθε το σημερινό οξυγόνο; (β) Σε ένα μπουκάλι $2\ \text{L}$ με σημερινό αέρα, πόσα mL οξυγόνου και πόσα mL διοξειδίου του άνθρακα (0,04%) υπάρχουν; (γ) Πόσες φορές περισσότερο είναι το αργό από το διοξείδιο του άνθρακα;

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

(α) Από τους πρώτους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς: με τη φωτοσύνθεση κατανάλωναν $CO_2$ και ελευθέρωναν οξυγόνο, αλλάζοντας σταδιακά την ατμόσφαιρα.

(β) $2\ \text{L} = 2000\ \text{mL}$ . Οξυγόνο: $\dfrac{20{,}95}{100} \cdot 2000 = 419\ \text{mL}$ . $CO_2$ : $\dfrac{0{,}04}{100} \cdot 2000 = 0{,}8\ \text{mL}$ — λιγότερο από μια σταγόνα!

(γ) $\dfrac{0{,}93}{0{,}04} \approx 23$ φορές.

Απάντηση: φωτοσύνθεση · $419\ \text{mL}$ και $0{,}8\ \text{mL}$ · περίπου 23 φορές.

Συνηθισμένα λάθη

«Ο αέρας είναι κυρίως οξυγόνο». Κυρίως είναι άζωτο (78%).
«Το $CO_2$ είναι το τρίτο αέριο του αέρα». Τρίτο είναι το αργό· το $CO_2$ είναι μόλις 0,04%.
Ατμόσφαιρα = αέρας. «Αέρας» στο βιβλίο είναι το κατώτερο στρώμα της ατμόσφαιρας.
Όζον «καλό» παντού. Στη στρατόσφαιρα προστατεύει· στην τροπόσφαιρα είναι ρύπος.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Η ατμόσφαιρα (≈1.600 km) έχει στρώματα: τροπόσφαιρα (ζωή, καιρός), στρατόσφαιρα (όζον), μεσόσφαιρα, ιονόσφαιρα.
Ο αέρας είναι μείγμα: $N_2$ 78%, $O_2$ 21%, $Ar$ 0,93%, $CO_2$ ≈ 0,04% v/v, και μεταβλητοί υδρατμοί.
Κερί που σβήνει → οξυγόνο· ασβεστόνερο που θολώνει → $CO_2$ · σταγόνες σε κρύα επιφάνεια → υδρατμοί.
Το οξυγόνο της ατμόσφαιρας οφείλεται στη φωτοσύνθεση.

Η ατμόσφαιρα

Τροπόσφαιρα: εδώ υπάρχει η ζωή και διαμορφώνονται τα καιρικά φαινόμενα.

Στρατόσφαιρα: περιέχει το όζον (

O_3

), που απορροφά μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας και προστατεύει τους οργανισμούς.

Μεσόσφαιρα και ιονόσφαιρα (θερμόσφαιρα), με σημαντική περιεκτικότητα σε ιόντα.

Με τη λέξη αέρας εννοούμε το κατώτερο στρώμα της ατμόσφαιρας. Ο αέρας είναι μείγμα αερίων.