空氣的組成、特性及其用途

空氣是包圍地球大氣層的一種神秘的氣體混合物。它包含著無窮無盡的神奇和有趣的特點，是世界上最普遍也是最重要的物質之一。空氣對于我們人類和動植物來說都是不可缺乏的，假如沒有空氣，地球上的生物就無法生存。它不僅支持呼吸與燃燒，空氣對生命活動、氣候調節、聲音傳播、防輻射和工業運行都有多種用途。在不同場景下（如自然環境、化學實驗、工業系統）展現出多樣化的特性和應用。由于空氣來源取之不盡，用之不竭，因此對于空氣的運用越來越被人們重視。空氣如此重要，以至于它被認為是一種必不可少的資源。這里簡要介紹空氣的相關知識。

一、空氣的組成

⒈ 化學成分與比例

空氣是多種氣體的均勻混合體，主要有：

78%的氮氣（不支持燃燒，化學性質穩定，用作保護氣）；

21%氧氣（支持燃燒和呼吸，是生命活動的關鍵）；

0.94%的稀有氣體（氦、氖、氬、氪、氙，化學性質極不活潑）；

0.03%的二氧化碳（參與光合作用，影響溫室效應）；

0.03%的其他物質（如水蒸氣、雜質等，含量可變）組成的混合物。

⒉ 固體顆粒和油分

空氣中混有沙塵、塵埃、金屬粉末等固體顆粒及油類的粉塵等。這些顆粒物來自于自然界和人類活動的排放，它們對人類健康和環境都有一定的影響。

⒊ 水分

空氣中一般含有水分。一定壓力、一定溫度下空氣溶解水分的能力是固定的。空氣中的水分含量是隨著環境條件變化而變化的。

當氣溫升高時，空氣中的水分含量會增加；當氣溫降低時，空氣中的水分含量會減少。

當壓力升高時空氣溶解水分的能力將下降。

一旦把水汽分離掉，氣量將有所降低。

⒋其它

人類活動產生的無機、有機酸、亞硫酸氣體等。

二、測定空氣組成的實驗

在中學化學實驗中，空氣的組成常通過紅磷燃燒法測定：

原理：利用紅磷燃燒消耗密閉容器內的氧氣，生成固體五氧化二磷，使瓶內氣壓降低，外界大氣壓將水壓入集氣瓶，進入的水的體積即為氧氣的體積。

現象：紅磷燃燒產生大量白煙，冷卻后打開彈簧夾，水進入集氣瓶約1/5體積處。

結論：氧氣約占空氣總體積的1/5，剩余氣體主要為氮氣，不支持燃燒。

此實驗說明了空氣是混合物，由多種成分組成且各自保持原有性質。

三、空氣的特性

⒈ 無色無味：空氣是看不見、摸不著、無色無味透明的氣體。這是空氣最基本的特征。

可以準備一個普通的塑料袋。用手一兜，扎緊袋口，就可以看到口袋鼓起來了，里面裝的就是空氣。

⒉ 透明性：空氣對于光線具有很好的透明性, 因此我們可以通過空氣看到遠處的物體。這也是為什么空氣看起來是無色的原因。

⒊ 重量輕：空氣是有一定重量的。它的重量相對較輕。在溫度20℃，壓力為一個大氣壓（760mmHg），濕度為65%時，空氣的比重是：1.204㎏f/m3，這意味著它比同體積的水、鋼鐵等物質輕得多。這個值會讓你真切地感受到身邊大氣的存在。

例如兩個充滿空氣的氣球放在天平的兩側平衡，刺破一個氣球后，平衡就會被破壞。說明空氣是有重量的。

⒋ 占據空間：空氣占據空間，無處不在，沒有固定的形狀和體積。

將一張普通的餐巾紙放入燒杯中。然后將燒杯倒扣放入水槽中，全部浸沒。取出，這張紙為什么沒有濕呢？原來是燒杯里充滿空氣，而空氣占據了空間，給這張紙提供了一個干燥的環境。

⒌ 可壓縮性：空氣易被壓縮，當外界施加壓力時，空氣分子之間的距離會縮小，從而使空氣的體積縮小。

例如用一只普通的注射器，分別抽進空氣和水，然后用手指堵住管口，用同樣大小的力壓活塞和向上拉活塞。空氣是可以被壓縮或擴大的。

⒍ 熱脹冷縮：空氣是一種能夠被加熱和冷卻的物質。當空氣被加熱時，分子之間的距離會增大，從而使空氣的體積增大；當空氣被冷卻時，分子之間的距離會縮小，從而使空氣的體積縮小。

⒎ 溫度變化快：溫度是分子動能的宏觀結果，是表示濕空氣冷熱程度的物理量。空氣的溫度變化比較快，這是因為空氣的熱容比較小，所以在加熱或冷卻時，溫度變化比較快。

⒏ 擴散性：空氣分子之間存在著相互作用，因此它們具有擴散性。當兩種氣體混合時，它們會通過分子之間的相互作用擴散到彼此之間，從而形成一個穩定的混合物。

⒐ 濕度：空氣的濕度決定于空氣中所含水蒸氣的分量。濕度分為絕對濕度和相對濕度。

⒑ 水蒸氣分壓力：指濕空氣中水蒸氣的分壓力，是濕空氣中的水蒸氣單獨占有濕空氣的體積，并具有與濕空氣相同溫度時所具有的壓力。

在一定的溫度和壓力下，濕空氣中水蒸氣的含量（即水蒸氣密度）是有一定限度的，在某溫度下所含水蒸氣的量達到最大可能含量時，這時的濕空氣叫飽和空氣。

水蒸氣未達最大可能含量時的濕空氣就叫未飽和空氣。未飽和空氣在成為飽和空氣的瞬間，濕空氣中會有液態水珠凝結出來，這一現象稱為“結露”。

未飽和空氣在保持水蒸氣分壓不變（即保持絕對含水量不變）情況下降低溫度，使之達到飽和狀態時的溫度叫露點。

⒒ 空氣的壓力：大氣壓力是指大氣層在地球表面單位面積上形成的壓力。

由于大氣有重量，它對地球表面有壓力，這種壓力叫做“大氣壓”。一個大氣壓的壓力等于0.1013Mpa（折合1.0332㎏f/㎝2或760mmHg）。也就是說地球上每個物體上都承受著每平方厘米1.0332㎏f的壓力。

當空氣的壓力低于一種大氣壓時，單位體積內的空氣分子數就會變少；當空氣分子變得非常少時，我們說這是真空狀態。可見真空是相對于大氣壓的空氣而言的，是空氣非常稀薄（即空氣分子少）的狀態。

⒓氣壓變化大：空氣的壓強會隨著海拔高度的增加而減小。在海平面上，空氣的壓強約為101.3千帕，但隨著海拔的升高，空氣的壓強會逐漸降低。

⒔空氣被壓縮時放出熱量，膨脹時吸取熱量：當空氣被壓縮時其溫度會上升，假如壓縮過程被絕熱處理（壓縮過程沒有和外界的熱量互換），我們稱這樣的壓縮為絕熱壓縮。

當把溫度為30℃的空氣進行絕熱壓縮到0.69Mpa(7㎏f/㎝2)時溫度會升到271℃。實際上空氣的壓縮過程必然有和外界的熱量互換，人們在對空氣進行壓縮時往往會采用換熱裝置將壓縮過程產生的熱量帶走，從而保證壓縮后的空氣溫度控制在人們的使用范圍內。

相反假如讓已被壓縮的空氣膨脹時它要從周圍環境中奪取它被壓縮時放出的同等熱量，運用這個特性人們可以運用壓縮空氣對周圍的物體進行冷卻。

⒕空氣的流速

將已被壓縮的空氣在大氣中放出時其流速靠近于音速（340m/sec），這個速度往往會產生鋒利的叫聲。因此在使用壓縮空氣時絕對不能把它當作身邊的大氣，一定要注意其危險性。

⒖空氣的流動性

空氣是流動的，不是原地不動的。

空氣有從壓力高的地方向壓力低的地方流動的性質。空氣不流動時在同一空間內各處的壓力是相似的，但當空氣進行流動時，其壓力會越來越低。

空氣的壓力、流速和流經管路的表面光潔度是影響空氣壓力降的幾大原因。

空氣的每一項特點都具有其獨特的意義和作用。這些指標共同描述了空氣的基本物理狀態，對于氣象學、環境科學、暖通空調等多個領域都有著重要的意義。這些特點使得空氣成為地球上生命不可或缺的組成部分，在自然界和人類生活中扮演著重要的角色。了解空氣的特點，我們可以更好地理解和應用它，從而更好地保護我們的環境和健康。

四、空氣的污染

⒈ 主要來源

⑴ 人為污染源（主要貢獻者）

① 工業排放

工廠生產：燃煤、石油等能源消耗釋放二氧化硫（SO?）、氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM2.5/PM10）及重金屬（如鉛、汞）。

化工業：揮發性有機物（VOCs）和有毒氣體（如苯、甲醛）的泄漏。

② 交通污染

機動車尾氣：汽油/柴油燃燒產生一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、NOx和黑碳顆粒。

非道路機械：船舶、飛機、工程機械的柴油排放。

③ 能源生產與使用

燃煤電廠：全球約40%的電力依賴燃煤，導致大量SO?和PM2.5排放。

家庭燃煤/生活物質：發展中國家取暖、烹飪產生的室內污染（如CO、PM）。

④ 農業活動

化肥使用：氨氣（NH?）揮發與PM2.5二次生成有關。

秸稈焚燒：短時間內釋放大量煙塵和CO?。

⑤ 城市與建筑活動

建筑施工：揚塵（PM10）、機械排放。

垃圾焚燒：不完全燃燒產生二噁英、顆粒物。

⑵ 自然污染源

沙塵暴：干旱地區風力作用攜帶粉塵（如中亞、撒哈拉）。

火山噴發：釋放SO?、火山灰（影響全球氣候）。

森林火災：自然或人為引發的火災產生CO、PM和VOCs。

生物排放：植物釋放的萜烯類物質（可與NOx反應生成臭氧）。

⑶ 其他特殊來源

跨國污染：污染物通過大氣環流跨境傳輸（如東亞季風攜帶污染物至周邊國家）。

二次污染物：如臭氧（O?）由NOx和VOCs在陽光下反應生成，非直接排放但危害顯著。

不同地區的污染源占比差異較大：發達國家以交通和工業為主；發展中國家可能疊加燃煤、農業和垃圾焚燒等多重因素。

當前全球關注重點為PM2.5、臭氧和溫室氣體的協同控制。

⒉ 空氣污染對人體多系統健康的危害

空氣污染對人體健康的影響是多系統、多層次的，長期暴露可能導致慢性疾病甚至致命后果：

⑴ 呼吸系統損害（直接接觸靶器官）

①急性刺激與炎癥

PM2.5、臭氧等污染物可引發咳嗽、喉嚨痛、支氣管收縮，加重哮喘和慢性阻塞性肺病（COPD）。

②長期病變風險

長期暴露于高濃度PM2.5環境，肺癌風險提升20%-30%。

二氧化氮（NO?）會導致肺泡結構破壞，加速肺功能衰退。

⑵ 心血管系統危害（全身性影響）

①缺血性心臟病與中風

細顆粒物進入血液后引發全身炎癥，促進動脈粥樣硬化，心肌梗死風險增加10%-15%。

一氧化碳（CO）與血紅蛋白結合，降低血氧輸送能力。

②血壓與心率異常

短期暴露于高污染環境可導致血壓波動，長期可能發展為高血壓。

⑶ 神經系統與認知功能

①神經退行性疾病

PM2.5可穿透血腦屏障，與阿爾茨海默病、帕金森病發病率正相關。

兒童長期暴露可能影響大腦發育，導致智商降低2-3個點。

②心理健康關聯

高污染地區抑郁癥發病率顯著升高，可能與炎癥因子影響神經遞質有關。

⑷ 其他系統影響

免疫系統：污染物抑制免疫功能，增加感染風險。

生殖系統：男性精子質量下降，孕婦早產率升高。

皮膚老化：多環芳烴（PAHs）加速皮膚膠原蛋白流失。

⑸ 敏感人群差異

兒童：肺部發育未完成，單位體重呼吸量更高，更易受損。

老年人：基礎疾病多，代償能力差。

戶外勞動者：暴露時間長，累積劑量大。

⒊防護建議

實時監測空氣質量指數，PM2.5＞100時減少戶外活動。

使用N95口罩或空氣凈化器（CADR值≥300）。

飲食補充維生素C、E等抗氧化劑，減輕氧化應激損傷。

五、空氣的用途：

空氣的用途廣泛，不僅關乎生物的生存和自然環境的平衡，也是現代科技和工業發展的重要基礎。空氣的用途主要包括以下幾個方面：

生命支持：空氣是地球上的動植物生存的必要條件，空氣中的氧氣是人類和其他生物進行呼吸作用的必需品，對于生命的維持至關重要。此外，植物的光合作用也需要空氣中的二氧化碳。

溫度調節：大氣層像一層厚厚的“被子”蓋在地球上，保持地球溫度的相對穩定，維持地球晝夜溫差不過大，使地球上的溫度保持相對穩定，使我們能生活在即不太冷又不太熱的環境中；如果沒有大氣層，白天溫度會非常高，而夜間溫度會非常低。

防護屏障：空氣是宇宙排列物質的空間。宇宙空間里的所有物質，都是用空氣來阻隔的。大氣層能夠阻止來自太空的高能粒子過多地進入地球，也能使隕石在進入大氣層后因摩擦而減速或燃燒，從而減少對地球的撞擊威脅。臭氧層吸收來自太陽的紫外線，保護地球上的生物免受傷害。大氣能阻擋來自宇宙空間的各種射線，保護地球上的生物免受它們的傷害。

天氣影響：空氣活動影響季節變化，寒露后北方冷空氣勢力增強，推動深秋向冬季過渡。

能量傳輸與存儲：空氣能作為一種環保、低碳、高效的能源，廣泛應用于建筑、工業、農業和交通等領域。例如，在建筑領域，空氣能用于供熱和供暖；在工業領域，空氣能用于制冷、干燥、除濕等工藝過程；在農業領域，空氣能用于控制溫度和濕度，調控農產品的生長環境；在交通領域，空氣能作為車載空調制冷劑使用。

聲音傳播：聲音的傳播需要介質，空氣就是聲音傳播的重要介質之一。

促進物質循環：空氣中的氮氣是構成蛋白質等生物分子的重要元素，通過生物固氮和工業固氮等方式，氮氣可以轉化為生物可利用的形式，參與生物圈的物質循環。

科技與工業應用：壓縮空氣在科技和工業領域有廣泛應用，如驅動氣缸、氣動馬達，作為能量載體，以及在自動化控制中的應用。

其它用途

空氣能助燃：因為空氣中有氧氣，使空氣具有助燃性。在適宜的條件下，氧氣可以與其他物質發生燃燒反應，從而釋放能量。

空氣有壓力：壓力在人類的生產、生活起著重要的作用。

空氣有浮力：靠它小鳥、飛機才能在空中飛翔。

空氣不僅是生命賴以生存的基礎氣體混合物，其組成可通過實驗驗證，并在工業中轉化為動力能源。理解空氣的成分、性質及其在不同領域的應用，有助于我們更好地保護空氣質量、安全使用相關技術，并認識地球生態環境的運作機制。