Глава II.12 Воздух и его состав

Опыт Лавуазье позволил не только обнаружить два важнейших компонента воздуха – азот и кислород, но и приблизительно оценить объёмное содержание каждого. Азот составляет 4/5 от объёма воздуха, или 80$$%, а кислород – 1/5, или 20$$%.

Детальное изучение состава воздуха позволило прийти к выводу, что он представляет собой многокомпонентную смесь, состоящую из азота, кислорода, углекислого газа, инертных газов, водяного пара (рис. 41).

Количественно состав газовой смеси выражают с помощью объёмных долей компонентов газовой смеси (обозначаются греческой буквой φ – «фи»).

Объёмную долю компонента газовой смеси находят по формуле

где φ (газа) – объёмная доля газа в смеси, V(газа) – объём газа (л, мл, м³), V(смеси) – объём смеси (л, мл, м³).

Объёмная доля компонента газовой смеси показывает, какую часть общего объёма смеси занимает данный компонент. Знание объёмной доли компонента газовой смеси позволяет решать несложные задачи.

Задача 1. При разделении 100 л воздуха на компоненты было получено 78 л азота, 21 л кислорода, 900 мл аргона и 30 мл углекислого газа.

Найдём объёмную долю каждого компонента воздуха.

φ (азота) = $\frac{V\left(\mathrm{азота}\right)}{V\left(\mathrm{воздуха}\right)} = \frac{78 \mathrm{л}}{100 \mathrm{л}} = 0,78, \mathrm{или} 78 \%$

φ (кислорода) = $\frac{V\left(\mathrm{кислорода}\right)}{V\left(\mathrm{воздуха}\right)} = \frac{21 \mathrm{л}}{100 \mathrm{л}} = 0,21, \mathrm{или} 21 \%$

φ (аргона) = $\frac{V\left(\mathrm{аргона}\right)}{V\left(\mathrm{воздуха}\right)} = \frac{0,9 \mathrm{л}}{100 \mathrm{л}} = 0,009, \mathrm{или} 0,9 \%$

φ (углекислого газа) = $\frac{V(\mathrm{углекислого} \mathrm{газа})}{V\mathit{\left(}\mathrm{воздуха}\right)} = \frac{0,03 \mathrm{л}}{100 \mathrm{л}} = 0,0003 \%, \mathrm{или} 0,03 \%$

Если сложить рассчитанные объёмные доли компонентов воздуха:

φ (азота) + φ (кислорода) + φ (аргона) + φ (углекислого газа) = 78$$% + 21$$% + 0,03$$% + 0,9$$% = 99,93$$%,

то нетрудно догадаться, что в воздухе содержатся ещё какие-то компоненты, на долю которых приходятся оставшиеся 0,07$$%.

По известной объёмной доле газа в смеси можно рассчитать его объём.

Задача 2. Вычислите объём углекислого газа, который содержится в 400 м³ воздуха, если объёмная доля углекислого газа в воздухе составляет 0,03%.

Объёмная доля углекислого газа в воздухе рассчитывается по формуле

φ (углекислого газа) = $\frac{V(\mathrm{углекислого} \mathrm{газа})}{V\left(\mathrm{воздуха}\right)}$

Запишем формулу для нахождения объёма углекислого газа:

V(углекислого газа) = V(воздуха) ∙  φ (углекислого газа)

Подставим в формулу значения и рассчитаем объём углекислого газа:

V(углекислого газа) = 400 м³ ∙ 0,0003 = 0,12 м³, или 120 л

Справедливо и обратное: по известной объёмной доле компонента газовой смеси можно рассчитать её объём.

Задача 3. Найдите объём воздуха, из которого было получено 30 л аргона, если объёмная доля аргона в воздухе составляет 0,9$$%.

Объёмная доля аргона в воздухе рассчитывается по формуле

φ (аргона) = $\frac{V\left(\mathrm{аргона}\right)}{V\left(\mathrm{воздуха}\right)}$

Запишем формулу для нахождения объёма воздуха:

V(воздуха) = V(аргона) / φ (аргона)

Подставим в формулу значения и рассчитаем объём воздуха:

V(воздуха) = 30 л / 0,009 ≈ 3330 л

Задача 4. Исследования атмосферы Марса показали, что она на 95,32% состоит из углекислого газа. Найдите объём марсианской атмосферы, в которой содержится столько же углекислого газа, сколько его содержится в 500 м³ земного воздуха.

2. Рассчитаем объём марсианской атмосферы, содержащей 0,15 м³ углекислого газа:

V(атмосферы Марса) = V(углекислого газа) / φ (углекислого газа Марса) = 0,15 м³ / 0,9532 = 0,1574 м³

Ответ: V(атмосферы Марса) = 0,1574 м³