§ 21. Повітря, його склад і властивості

У попередніх класах ви дізналися про повітря. З деякими його властивостями ознайомилися на уроках природознавства та географії. Тепер ми продовжуємо вивчати повітря у взаємозв’язку відомих вам знань про нього та нового навчального матеріалу, що стосується саме хімії.

ЧИМ Є ПОВІТРЯ З ПОГЛЯДУ ХІМІКА? З тим, що тіла живої і неживої природи складаються з речовин, ви обізнані. Але речовини бувають різними — чистими й такими, що утворюють суміші, простими і складними, неорганічними та органічними. До яких із них належить повітря?

Розпочнемо зі складу повітря, щоб одержати відповідь на запитання, чистою речовиною чи сумішшю речовин воно є.

Вчені встановили, що близько 4 /₅ об’ємного складу сухого повітря становить газоподібна речовина азот N₂, яка не має кольору і запаху. На другому місці перебуває кисень О₂ — теж газоподібна речовина без запаху й кольору. Третіми за об’ємом у складі повітря є інертні гази, серед яких переважає аргон Аr, а на четвертому місці — вуглекислий газ СО₂. Тож відповідь однозначна — повітря є природною сумішшю газоподібних речовин. У ньому також міститься водяна пара Н₂О та деякі інші речовини, зокрема ті, що утворюють частинки пилу.

Із наявністю якої речовини у повітрі пов’язані виникнення вранішньої роси на траві та туману?

З’ясуємо, до простих чи складних речовин належать компоненти повітря. Погляньте на якісний склад наведених у тексті параграфа формул компонентів повітря, і ви побачите серед них три формули простих речовин і дві формули складних. Отже, повітря — це природна газоподібна суміш простих і складних речовин.

І нарешті третє запитання — до неорганічних чи органічних речовин належать компоненти повітря?

Пригадайте, які речовини називають органічними. Чи є вони серед компонентів повітря?

Безперечно, прості речовини не можуть бути органічними. Вуглекислий газ відносять до неорганічних речовин, хоча він містить Карбон. От ми й дістали відповідь на останнє поставлене запитання: складові повітря є неорганічними речовинами.

• Повітря — це природна однорідна суміш газоподібних неорганічних речовин азоту, кисню, інертних газів, вуглекислого газу, парів води та в невеликій кількості деяких інших речовин.

Те, що у складі повітря є газоподібні речовини — азот, кисень і вуглекислий газ, установив французький учений Антуан Лавуазьє у 1774 році.

КІЛЬКІСНИЙ СКЛАД ПОВІТРЯ. З’ясувавши якісний склад повітря, розглянемо кількісний, скориставшись діаграмою (мал. 73).

Мал. 73. Об’ємний склад повітря

Зверніть увагу, що на два компоненти — азот і кисень — припадає 99 % складу повітря. І наведені дані у тексті параграфа, і діаграма доводять, що основна складова повітря — азот. Походження назви доволі цікаве: «зоо» — життя, префікс «а» — заперечення. Так його спершу назвали через те, що він не бере участі у важливому процесі живої природи — диханні. Однак на сьогодні думка щодо азоту змінилася. Його розглядають як важливу для живої природи речовину. Це тому, що всі білкові молекули у своєму складі містять Нітроген.

Близько 1/5 складу повітря припадає на кисень. У тому, що це насправді так, переконує нескладний дослід. Помістимо в посудину з водою свічку на легкій підставці. Підпалимо ґніт і накриємо свічку циліндром із попередньо розміченим на п’ять рівних частин простором над водою. Поки в циліндрі є кисень — полум’я горить (мал. 74, а). Під час горіння кисень поступово витрачається, і об’єм, який він займав, заповнює вода. Спостерігаємо, як вода в циліндрі піднімається. Коли кисню в циліндрі не залишиться, свічка згасне. Виявиться, що вода піднялася приблизно на одну поділку (мал. 74, б).

Мал. 74. Дослід, що підтверджує кількісний вміст кисню у повітрі

Вуглекислого газу, на перший погляд, у повітрі дуже мало — менше, ніж неактивних інертних газів. Але, якщо зважати на великий об’єм повітряної оболонки Землі, стає зрозумілим, що його цілком достатньо для фотосинтезу.

Пригадайте, що називають фотосинтезом.

ВЛАСТИВОСТІ ПОВІТРЯ. Розглянемо фізичні властивості повітря. Повітря не має кольору й запаху, тому для нас воно невидиме. Та в існуванні його навколо нас легко переконатися. Візьміть аркуш паперу й зробіть ним кілька помахів на відстані 10-15 см від свого обличчя. Ви одразу ж відчуєте рух спрямованого на нього повітря.

Пригадайте з географії, яке відношення до виникнення та існування вітрів має повітря.

Як і все, що існує на Землі, повітря має певну масу. Пересвідчитись у цьому можна за допомогою такого досліду. На кінцях імпровізованих терезів урівноважено дві пусті повітряні кульки (мал. 75, а). Після цього одну з кульок наповнили повітрям, щільно зав’язали ниткою та знову прив’язали до терезів. Рівновага порушилась, шалька з кулькою, наповненою повітрям, опустилася нижче (мал. 75, б).

Мал. 75. Дослід, який доводить, що повітря має масу

Встановлено, що за нормальних умов (температурі 0 °С і тиску 101,33 кПа, або 1 атм) маса повітря об’ємом 1 л дорівнює 1,29 г, тоді як маса 1 л води — 1000 г (мал. 76).

Мал. 76. Склянки об’ємом 1 л із повітрям (а) і водою (б) мають різну масу

Для того, щоб перевести газоподібне повітря у рідкий агрегатний стан, необхідна температура -192,0 °С. Як і всі гази та рідини, воно не має власної форми, а тому повністю заповнює доступніш йому простір. Тобто повітря — всюдисуща суміш газів. Ми говоримо «порожня чашка», «порожня ваза», «порожня пляшка», не замислюючись над тим, що насправді вони «повні», а точніше, наповнені повітрям. У цьому переконує занурення порожньої пляшки у посудину з водою. Набагато важча за повітря вода витісняє його з пляшки, й ми бачимо, як бульбашки повітря виходять із неї.

За здатністю розчинятися у воді повітря належить до погано розчинних сумішей. Так, в 1 л води розчиняється 0,02918 л повітря. Але навіть такої невеликої кількості достатньо для дихання риб, багатьох інших мешканців водойм.

Із підвищенням температури здатність повітря розчинятись у воді зменшується. Можна спостерігати, як із холодної води у прозорій вазі з квітами за кімнатної температури виділяються дрібні пухирці повітря й осідають на внутрішній поверхні посудини та рослинах (мал. 77).

Мал. 77. Виділення пухирців повітря з холодної води при підвищенні температури

У повітрі добре поширюється звук. Якби астронавти, що побували на Місяці, спробували звично поговорити між собою, у них би нічого не вийшло. Це тому, що на Місяці звук не поширюється через брак у супутника Землі повітряної оболонки.

Проте тепло у повітрі поширюється погано. Ось чому у вікнах вставляють подвійні, а в сучасних — навіть потрійні шибки. Розташоване між ними повітря допомагає зберігати тепло у приміщеннях. Невипадково на зиму у птахів густішає пір’я, а у звірів хутро. Між їхніми ворсинками теж затримується повітря і зменшує тепловіддачу тіла.

Повітря пружне. У цьому переконує дослід. Якщо наповнену повітрям кульку стиснути з боків, у місці здавлювання з’явиться заглиблення. Як тільки припинити стиснення, кулька завдяки пружності повітря набуде попередньої форми.

Скарбничка ерудита

Ви вже знаєте, що у суміші кожний компонент зберігає свої властивості. Однією з властивостей повітря є різні температури переходу його компонентів із рідкого агрегатного стану у газоподібний і навпаки.

На здатності повітря переходити при охолодженні з газоподібного стану у рідкий та різній температурі випаровування окремих його компонентів ґрунтується промислове добування азоту, кисню, аргону з рідкого повітря. Зі зрідженого повітря при його нагріванні спершу випаровується азот, а потім аргон. У результаті залишається майже чистий кисень.

До фізичних чи до хімічних явищ належить промисловий спосіб добування кисню з рідкого повітря?

ДОСЛІДЖУЄМО НА УРОЦІ ТА ВДОМА

Дослід 1. Щільно закрийте пробкою порожню пластмасову пляшку з-під мінеральної води й покладіть у морозильну камеру холодильника. За кілька годин дістаньте пляшку й роздивіться, як змінилася її форма. Спостерігайте, які зміни відбудуться з формою пляшки після того, як на кілька годин залишити її в кімнаті.

Спробуйте пояснити зміни форми пляшки, пам’ятаючи про особливість газуватого агрегатного стану речовин.

Дослід 2. Наповніть посудину, наприклад, миску на 3/4 водою. Візьміть прозору пластмасову пляшку і повністю занурте її у воду. Спостерігайте за появою бульбашок, які виходять із пляшки . Дайте пояснення такому явищу.

1. Що називають повітрям? Назвіть речовини, що є постійними у його складі.

2. Назвіть відомі вам властивості повітря.

3. Поясніть, чому з холодної води з підвищенням температури виділяється повітря.

4. Який дослід доводить, що повітря має масу?

5. Запишіть символи й назви хімічних елементів, що утворюють речовини, які входять до складу повітря.

6. Запропонуйте спосіб дізнатися, у якого компонента повітря — азоту чи вуглекислого газу — більша відносна молекулярна маса.

7. Обчисліть масову частку Карбону у вуглекислому газі.

8*. Запропонуйте, як експериментально довести, який газ — азот чи кисень — важчий.

9. Розташуйте компоненти повітря за збільшенням їх умісту в цій природній суміші.

10. Чому повітря відносять до сумішей, а не до чистих речовин. Наведіть докази.

11*. Для проведення досліду взяли 2 хімічні стакани однакового об’єму. У перший налили 100 мл гарячої води, у другий — стільки ж холодної. Вкажіть правильний варіант відповіді щодо наявності розчиненого повітря у вмісті стаканів.

• А вода в обох стаканах не містить розчиненого повітря
• Б в першому стакані міститься більше розчиненого у воді повітря
• В у другому стакані міститься більше розчиненого у воді повітря
• Г в обох хімічних стаканах розчиненого у воді повітря порівну

Скориставшись додатковими джерелами, дізнайтеся більше про відкриття складу повітря Одержану інформацію обговоріть у групах.

РОЗДІЛ III ЗЕМЛЯ – ПЛАНЕТА СОНЯЧНОЇ СИСТЕМИ

• дізнатися, як людина використовує властивості повітря.

З чого складається повітря. Ви вже знаєте, що повітря є повсюди довкола нас, хоча ми його й не бачимо. Воно заповнює всі порожнини, щілини й проміжки на поверхні й під землею. Розчинене повітря є й у воді, тому у водоймах можуть жити риби, які, як і більшість організмів, дихають киснем. Воно огортає всю планету. Повітря не розсіюється в космічному просторі, тому що його утримує земне тяжіння. Воно обертається разом із Землею як єдине ціле.

Вам уже відомо, що повітря — це суміш газів. У його складі найбільше азоту (3/4) і кисню (трохи менше 1/4). Інших газів дуже мало (мал. 88).

Кожний із газів має велике значення для життя на Землі. Кисень необхідний усьому живому для дихання. З вуглекислого газу, який у невеликій кількості є в повітрі, та води зелені рослини на світлі утворюють органічні речовини та кисень. Вуглекислий газ називають «утеплювачем»: він має здатність пропускати сонячні промені до Землі, а її тепло — затримувати. У повітрі також міститься водяна пара. Є в ньому й різні тверді домішки: пил, попіл від лісових пожеж і вулканічних вивержень, кристалики льоду і морської солі, сажа. Наприклад, над пустелями в повітрі багато пилу, над океанами — кристаликів солі, над великими містами — сажі.

– Пригадайте, які властивості повітря вам уже відомі.

Повітря — це суміш газів, основні з яких— азот і кисень. У невеликій кількості в повітрі є вуглекислий газ, водяна пара та тверді домішки (пил, попіл, сажа).

Властивості повітря. Ви вже знаєте, що повітря безбарвне й прозоре. Дослідимо властивості повітря.

Дослід 1. Візьмемо порожню пластмасову пляшку з-під води, закриємо її щільно пробкою і натиснемо на неї з боків. Помітно стиснути пляшку не вдається. Це тому, що вона не порожня, як здавалося, а заповнена повітрям. Через пробку воно не може поширитися назовні. Відкриємо пробку і повторимо стиснення. Це вдається зробити без особливих зусиль.

Дослід 2. На запалену свічку спрямуємо отвір відкритої порожньої пластмасової пляшки й натиснемо на неї з боків. Побачимо, як полум’я

заколивалося, хоча ми до свічки не торкалися. На нього подіяло повітря, витиснене з пляшки. Так ми перевірили, що повітря справді, як і будь-яка речовина в газуватому агрегатному стані, заповнює посудину та легко поширюється за її межі.

Дослід 3. Одну пластмасову пляшку, наповнену водою, а другу порожню щільно закриємо пробками і покладемо у миску з водою. Будемо спостерігати, як пляшка з водою швидко опуститься на дно, тоді як порожня плаватиме на поверхні. Це доводить, що повітря легке.

Ви також знаєте, що повітря можна стискати і що воно пружне (пригадайте, як гумовий м’яч, заповнений стиснутим повітрям, відскакує від підлоги). Також вам відомо, що повітря погано проводить тепло. Ця його властивість дає змогу вберегти Землю від надмірного нагрівання сонячними променями та охолодження.

Станьте дослідниками природи

Чим відрізняється ваша зимова куртка від осінньої чи літньої? У зимовій куртці є пух чи пористий матеріал синтепон. Такі матеріали вміщують між волосинками або в порожнинах багато повітря, яке зберігає ваше тепло й не пропускає холод. Отже, взимку вам нехолодно в пуховому чи хутряному вбранні завдяки повітрю.

Повітря безбарвне, прозоре, легке, пружне. Воно заповнює увесь простір і погано проводить тепло.

1. Які газуваті речовини входять до складу повітря?

2. Яке значення мають кисень і вуглекислий газ для життя на Землі?

3. Доведіть, що повітря є повсюди.

4. Які властивості має повітря? Як можна довести, що воно легке?

5. Де і як людина використовує пружну здатність повітря?

6. Поміркуйте, навіщо у вікнах встановлюють подвійні рами, залишаючи проміжок між ними.

§ 6. Теплопровідність повітря

Тверді, рідкі та газоподібні речовини по-різному передають тепло. Здатність проводити тепло називається теплопровідністю. Ця властивість пов’язана з розташуванням та рухом молекул речовини.

У рідинах і газах тепло передається саме через рух молекул. Проте найкращими провідниками тепла є тверді речовини, особливо метали.

Хорошими провідниками тепла є алюміній, мідь і нержавіюча сталь. Це — метали. З них виготовляють каструлі й чайники. Ми використовуємо їх для приготування їжі. Каструлі швидко нагріваються. Тому їжу можна приготувати за коротший час.

Деякі матеріали не дозволяють теплу проходити через них. Вони відомі як ізолятори (теплоізолятори). Такі матеріали не пропускають тепло. Погані провідники — це хороші ізолятори.

Теплоізоляторами є дерево, скло, папір, шерсть, гума, рідини, пластик, гази, особливо повітря.

Пластик і дерево використовують, наприклад, для виготовлення ручок каструль, прасок і чайників. Вони допомагають зручно тримати їх.

Будівельні матеріали, такі як цегла, скловолокно, полістирол, азбест і пінопласт, погано проводять тепло. Вони зберігають у будинках тепло взимку і прохолоду влітку (мал. 15).

Певні транспортні засоби покриті матеріалами з поганими провідниками тепла. Вони перевозять легкозаймисті матеріали, наприклад, бензин. Таке покриття автомобілів запобігає нагріванню бензину і його загорянню.

Мал. 15. Приклади теплоізоляторів у будівництві

Мал. 16. Приклади теплоізоляції у природі

У термосах, холодильниках і духовках дуже ефективно використовують ізоляцію. Саме тому наша їжа та напої залишаються гарячими або холодними.

Повітря — поганий провідник тепла. Його молекули не перебувають у постійному контакті одна з одною. Молекули повітря розташовані занадто далеко, щоб ефективно передавати тепло одна одній.

Люди використовують повітря як ізоляційний матеріал для збереження тепла, наприклад, для виготовлення склопакетів. Вікно зі склопакетом створюють шляхом склеювання двох листів скла. Між ними залишають простір, заповнений повітрям. Це запобігає витоку тепла.

Теплоізолятором є шерсть. Її використовують для виготовлення ковдр і шерстяного одягу. Хутро тварин погано проводить тепло. Це захищає їх від холоду (мал. 16).

Вівці обростають густою шерстю — вона утримує повітря. Коли на вулиці холодно, тварини розпушують хутро. Птахи те ж саме роблять зі своїм пір’ям. Це затримує повітря і знижує кількість втраченого тепла. Багато тварин облаштовують свої домівки під снігом. Між сніжинками затримується повітря. Таким чином створюється повітряний шар. Він зберігає власне тепло тварини. Так само захищені від холоду й озимі культури.

Мал. 17. Приклади теплоізоляції в одязі

Один зі способів зберегти власне тепло у холодний день — одягати вбрання, що затримує повітря. Зимові комбінезони з пуховим наповнювачем добре захищають від холоду взимку. їхній пір’яний наповнювач затримує багато повітря (мал. 17).

Ти колись чув / чула про термобілизну? Термобілизна — хороший ізолятор. Її використовують для збереження тепла.

Здатність речовини проводити тепло називається теплопровідністю.

У рідинах і газах тепло передається через рух молекул. Повітря — поганий провідник тепла. Його молекули не перебувають у постійному контакті одна з одною. Молекули повітря розташовані занадто далеко, щоб ефективно передавати тепло одна одній. Найкращими провідниками тепла є тверді речовини, особливо метали.

Деякі матеріали не проводять тепло. Вони відомі як ізолятори (теплоізолятори). Через такі матеріали тепло не може проходити.

Конспект учня

Теплопровідність — це здатність речовини проводити тепло. Теплопровідність залежить від розташування та руху молекул.

Теплоізолятори — це матеріали, які не проводять тепло. Теплоізоляторами є дерево, скло, папір, шерсть, хутро, пір’я, гума, рідини, пластик, гази, особливо повітря.

Запитання і завдання

• 1. Що називають теплопровідністю?
• 2. Які речовини добре проводять тепло?
• 3. Чому повітря — поганий провідник тепла?
• 4. Назви відомі тобі теплоізолятори.
• 5. Як людина використовує властивості теплоізоляторів?
• 6. Які приклади теплоізоляції у природі ти можеш навести?

Попрактикуй науку разом із дорослими

Виготовлення термоса