空气的组成和性质

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1、空气的组成和性质1. 空气的组成， 实验测定，干燥空气的平均组成如表 1-3 所示。且各组成部分之间的比例，在地球的任何地区几乎是恒定不变的。表 1-3 干燥空气的组成由此可见，空气中主要成分是氧、氮和氩。在一般情况下，近似认为空气中含有 20.9%的氧和的 79.1%氮。这样把空气称为氧和氮的二元系统。在精确计算中，因为空气中含有的 20.9%氧、78.1%的氮和 0.932%的氩。这时把空气称为氧、氮、氩三元系统。在不考虑空气的化学性质时，可以把空气看成单一物质，其分子量为 28.96，则 1 千克摩尔空气为 28.96 公斤。空气中除了含有氧、氮和氩外，还含有氖、氦、氪、氙气体。这些气体

2、（包括氩）在内气中含量极少，在自然界中不易得到，所以称它们为稀有气体。由于这些气体的化学性质稳定，又有“惰性气体”之称。此外因地区条件的不同，空气中还含有少量的（不定量的）水蒸气、二氧化碳、乙炔等气体及机械杂质。2. 空气的性质， 在常温下空气是无色、无味、透明的气体。大气层中因有臭氧（o 3）存在，而呈现天兰色。在 1 大气压下，空气的液化温度为-191.35（81.8k），气化温度为-194.35（78.8k）。在 1 个大气压下，将空气冷却到-213（60.15k）时，则变成固体。使气体转变为液体的温度称为液化温度。液化温度与压力有关，气体的压力越小，其液化的温度越低，反之亦然。但是，对

3、每一种气体来讲都有着一个温度，大于这个温度时，无论在任何压力下也不能使这种气体液化，这个温度称为气体的临界温度，其压力称为临界压力。空气的临界温度为-140.63（132.52k），也就是说空气必须在低于-140.63的温度时才可能液化，这也就是用分馏塔分离空气的方法，我们把它叫做深冷空气分离法的原因。组成及符号 体积 重量组成及符号 体积 重量氧 o 2 20.93 23.1 氪 Kr 1.8010-4 310-4氮 N 2 78.03 75.06 氙 Xe 0.0810-4 0.410-4氩 Ar 0.932 1.286 氢 H 2 0.510-4 0.03610-4二氧化碳CO2 0.0

4、3 0.046氖 Ne (1518)10-4 1210-4 臭氧 O 3 (0.010.02)10-4 0.210-4氦 He (4.65.3)10-4 0.710-4 氡 Rn 610-13空气及各组分的主要物理参数见附表 1。由表可见，在 1atm 时氧的沸点90.17k（-182.98），氮的沸点 77.35k（-195.80），两者的沸点相差的13。氩的沸点为 87.291k（-185.86），它介于氧和氮沸点中间。低温液化精馏法就是利用氧、氮沸点不同把空气分离为氧气和氮气。显然氩气在精馏中，将会影响氧和氮的纯度。空气是目前工业化分离中制取氧、氮气的原料，空气是最廉价、是取之不尽，用之

5、不竭的原料。人的生命和动植物的生长也离不开空气。1.5.2 氧的性质氧是地球上分布最广，数量最多的化学元素，它的重量占我们地壳总重量的48.6%。自然界的氧系由三种稳定的同位素组成，它们的原子分别为 16、17 和18，其比值为 10000：4：20。氧的同位素是不易分离的。氧的化学性质很话泼，非常容易与其它物质化合生成化合物。以游离形式存在于大气中的氧，是双原子构成的氧分子 O2,至于亚稳定的臭氧 O3本教材不作详细讨论。1. 氧的物理性质在常温常压下（一般指 20, 1atm），氧为无色透明、无臭无味的气体。氧在1 大气压下冷却到-183时，变成天兰色、透明、易于流动的液体。当继续冷却到-

6、218.79时，液氧将转变成兰色固体结晶。在 0、760mmHg 条件下，1Nm 3（标准米 3）氧气重 1.4289 公斤。在 1atm 下，沸腾时 1 升液体氧重 1.140 公斤。1 升液体氧全部气化成标准状态下的气体氧，体积将扩大到 800 升。氧能溶解于水。在标准状态下，100 体积的水中可溶解体积 5 的氧，当温度上升 20时，100 体积中的水仅能溶解体积 3 的氧。氧在水中的溶解度对于水生动物有重大的意义。另外因为氧气在水中溶解度很小，所以实验室里收集氧气时往往采用水集排气法。氧气与其它气体显著不同的在于它具有强烈的顺磁性。即氧气分子在磁铁的作用下，可带磁性，并可被磁极所吸引。

7、氧的这种顺磁性已被用来制作氧的磁氧分析仪，用于分析氧气的纯度。2. 氧的化学性质氧气的化学性质很活泼，非常容易与其它物质化合生成化合物，这样的化学过程称为氧化反应。氧的纯度越高，反应越激烈，同时放出大量的热。用氧气强化钢铁的治炼过程和燃料的燃烧过程就是这个道理。氧气有助燃的性质。例如，若将只发烟而未燃烧的木棒引入盛有氧气的容器中，则木材即燃起明亮的火焰。氧与可燃性气体（氢、乙炔、甲烷等）按一定比例混合后易发生爆炸。如氧气与氢气接触易发生爆炸而生成水，同时放出热量。各种油脂（甘油除外）与压缩的氧气接触时，温度超过燃点，可发生自燃。被氧饱和的衣服及其它纺织品与火种接触时会立即着火。将液态氧通过长期

8、触放电作用，能部分转变为新的化学物质液态臭氧（O 3），液体臭氧是深兰色易爆炸的液体。这种液氧与固体可燃性吸附剂（黑炭、木屑、金属粉末等）组成的爆炸混合物称为液氧炸药。氧还与若干个元素化合时生成过氧化物。如；Na+O 2=NaO2NaO2叫过氧化钠，稀硫酸与过氧化钠作用可生成过氧化氢（俗称双氧水）。NaO2+H2SO4=NaSO4+H2O2过氧化氢（H 2O2）是不稳定化合物，具有强烈的氧化作用。综上所述，氧的化学性质很活泼，与各种元素化学反应猛烈，有助燃性，反应时产生高温为其特点。由于氧的化学性质活泼，就要求制氧站必须十分重视安全工作，严禁烟火。由于氧具有上述特性，使其在冶金、化工、国防工业

9、等部门具有广泛的用途。在国防中用于高空飞行、潜水作业和用液氧作为火箭的助推燃料等。此外在医疗救护、城市污水处理等方面也有广泛的作用。1.5.3 氮的性质和用途 1. 氮的性质，氮在自然界中分布很广，大部分是以有机化合物的状态存在。在空气中含量高达 78.03%（体积）。氮的原子量为 14.008，它有原子量为 14 和15 的二种稳定同位素，它们的比值为 10000：38。在常温，常压下氮是无色、无味、无臭的气体，在标准状态下密度为1.252kg/m3，比空气略轻。将氮气冷却到-195.79时变成无色透明、易于流动的液体，它既不爆炸也无毒性。在 1atm 下，沸腾时 1 升液氮重 0.808

10、公斤。1升液氮全部气化成标准状态下的气氮，体使将扩大到 650 升。继续冷却到-210时，液氮凝固成雪花状的固体。氮为双原子分子，由于组成气分子的两个原子以三个键相联系，结合得很坚固。因此通常情况下氮的化学性质不活泼，表现为很大的惰性。故可用作保护气体。2. 氮的用途， 氮气由于它的惰性及其在液态下的低温，使其应用范围很广。氮气在化工、冶金、原子能、电子、玻璃及食品等工业部门被广泛应用，要求氮的纯度在 99.99%以上。液氮在科学研究、金属低温处理、食品冷冻、冷藏、冷冻运输、冷冻医疗、保存生物等领域广泛地作低温冷源。另外氮气在化工工业中既是化肥生产合成氨、石油气的主要原料，也是化纤生产中重要保

11、护气体。在国防工业中，液氮可作火箭燃料的压送剂。飞机缓冲器、作动筒等都需要充入一定压力的氮气，用于减震、收放起落架、操纵转弯、刹车和应急系统等。随着航空技术的不断发展，在航空仪器、导弹、等系统采用氮气保护也越来越广泛。空气的组成：成分 氮 氧 氩 二氧化碳 其他体积（%） 78.09 20.95 0.93 0.03 0.078重量（%） 75.53 23.14 1.28 0.05 0.075空气的密度：空气具有一定的质量，质量常用密度来表示。密度是单位体积内空气的质量，用 表示。=M/V 式中 M、 V 分别为气体的质量与体积。空气的粘度：空气质点相对运动时产生阻力的性质。空气粘度的变化只受温

12、度变化的影响，而压力变化对其影响甚微，可忽略不记。空气的运动粘度与温度的关系：t(oC) 0 5 10 20 30 40 60 80 100v(m2s-1) 0.136 0.142 0.147 0.157 0.166 0.176 0.196 0.21 0.238 (10-4)空气的压缩性与膨胀性：当气体的压力变化时体积随之改变的性质称为气体的压缩性；气体因温度变化体积随之改变的性质称为气体的膨胀性。空气的压缩性和膨胀性都远大于液体的压缩性和膨胀性。气体的体积随温度和压力的变化规律服从气体状态方程。1.1 空气与压缩空气在地球引力作用下，大量气体聚集在地球周围，形成数千公里的大气层。气体密度随离

13、地面高度的增加而变得愈来愈稀薄。探空火箭在 3000 公里高空仍发现有稀薄大气，有人认为，大气层的上界可能延伸到离地面 6400 公里左右。地表大气平均压力为 1 个大气压，相当于每平方厘米地球表面包围 1034g 空气。地球总表面积为 510100934 平方公里，所以大气总质量约为 5.21015 吨，差不多占地球总质量的百万分之一，大气随高度的增加而逐渐稀薄，50%的质量集中在 30km 以下的范围内。高度 100km 以上的空气质量仅是整个大气圈质量的百万分之一。 地面的大气是多种气体的混合物，其中：氮 78%、氧 21%、氩 0.93%、二氧化碳 0.03%、氖 0.0018%，此外

14、还有其他惰性气体、臭氧、水气和尘埃等。 由于环境污染，目前空气还含有二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等有毒气体。 干空气的分子量为 28.96，在 0、760mmHg 柱时的密度为 1.293g/m3。 空气经过机械压缩以后就成了压缩空气，用作生产压缩空气的设备通常称为空气压缩机。人类很早就懂得使用压缩空气，现在压缩空气已是人类生产、生活中一种不可缺少的动力。随着现代工业的不断发展，对压缩空气质量的要求也越来越高，而且呈多样化。 现代产业对压缩空气的要求可分为以下几个方面： 1）压力、流量的要求：任何需要压缩空气的场合对压缩空气的压力和流量都是有要求的。目前最普遍的压力值在 0.7MPa（g）左右

15、。在一些特殊场合如玻璃行业，对压缩空气的压力要求可能为 0.2-0.4 MPa（ g）左右；在某些军工企业，对压缩空气压力要求可能在几十 MPa。市场上有各种各样的空气压缩机可以来满足这些要求。 2）干燥度（即含水量或露点温度）的要求：不同的工艺对压缩空气露点温度要求也不同，如用作仪表方面的压缩空气压力露点一般要求在-40以下，而在半导体芯片厂对压缩空气的压力露点可能要求在-70 ，但在多数场合，对压缩空气的露点温度要求在 0以上就已足够。压缩空气的露点要求通常由干燥机来实现。 3）清洁度的要求（相对比较复杂，包括：固体物、油雾、微生物、有害气体等）：由压缩空气过滤器来解决1.2 压力、流量与

16、温度 1.2 压力、流量与温度 压力、流量与温度是压缩空气的三个基本指标。 由于地球引力的作用，地球表面的大气层对地球表面或表面物体所造成的压力称为“大气压 ”。由于地球表面的海拔高度不同，所处不同高度的空气密度不同，所以，处在不同高度上的物体受到的大气压力的大小也不同。所谓标准大气压力是指在摄氏零度（0）条件下，在纬度 45 度的海平面上，所受到的大气压力（干燥空气），经测量标准大气压力等于 760mmHg（汞）/cm2，即每平方厘米承受 760mmHg 的压力，我们可以换算为 kgf（千克力）： 76cm13.6gf/cm3=1033.6gf/cm21.0336kgf/cm2 。 一个标准大气压力相当于每平方厘米承受 1.0336kg，约 1 公斤压力。 压力的法定单位是帕斯卡（Pa）：1Pa=1N/m2（牛顿/平方米）。 工程上常用的是兆帕（MPa）：1MPa=106Pa。也有人习惯用 kgf/cm2（千克力/平方厘米）作压力单位，