空气的组成、特性及其用途

空气是包围地球大气层的一种神秘的气体混合物。它包含着无穷无尽的神奇和有趣的特点，是世界上最普遍也是最重要的物质之一。空气对于我们人类和动植物来说都是不可缺乏的，假如没有空气，地球上的生物就无法生存。它不仅支持呼吸与燃烧，空气对生命活动、气候调节、声音传播、防辐射和工业运行都有多种用途。在不同场景下（如自然环境、化学实验、工业系统）展现出多样化的特性和应用。由于空气来源取之不尽，用之不竭，因此对于空气的运用越来越被人们重视。空气如此重要，以至于它被认为是一种必不可少的资源。这里简要介绍空气的相关知识。

一、空气的组成

⒈ 化学成分与比例

空气是多种气体的均匀混合体，主要有：

78%的氮气（不支持燃烧，化学性质稳定，用作保护气）；

21%氧气（支持燃烧和呼吸，是生命活动的关键）；

0.94%的稀有气体（氦、氖、氩、氪、氙，化学性质极不活泼）；

0.03%的二氧化碳（参与光合作用，影响温室效应）；

0.03%的其他物质（如水蒸气、杂质等，含量可变）组成的混合物。

⒉ 固体颗粒和油分

空气中混有沙尘、尘埃、金属粉末等固体颗粒及油类的粉尘等。这些颗粒物来自于自然界和人类活动的排放，它们对人类健康和环境都有一定的影响。

⒊ 水分

空气中一般含有水分。一定压力、一定温度下空气溶解水分的能力是固定的。空气中的水分含量是随着环境条件变化而变化的。

当气温升高时，空气中的水分含量会增加；当气温降低时，空气中的水分含量会减少。

当压力升高时空气溶解水分的能力将下降。

一旦把水汽分离掉，气量将有所降低。

⒋其它

人类活动产生的无机、有机酸、亚硫酸气体等。

二、测定空气组成的实验

在中学化学实验中，空气的组成常通过红磷燃烧法测定：

原理：利用红磷燃烧消耗密闭容器内的氧气，生成固体五氧化二磷，使瓶内气压降低，外界大气压将水压入集气瓶，进入的水的体积即为氧气的体积。

现象：红磷燃烧产生大量白烟，冷却后打开弹簧夹，水进入集气瓶约1/5体积处。

结论：氧气约占空气总体积的1/5，剩余气体主要为氮气，不支持燃烧。

此实验说明了空气是混合物，由多种成分组成且各自保持原有性质。

三、空气的特性

⒈ 无色无味：空气是看不见、摸不着、无色无味透明的气体。这是空气最基本的特征。

可以准备一个普通的塑料袋。用手一兜，扎紧袋口，就可以看到口袋鼓起来了，里面装的就是空气。

⒉ 透明性：空气对于光线具有很好的透明性, 因此我们可以通过空气看到远处的物体。这也是为什么空气看起来是无色的原因。

⒊ 重量轻：空气是有一定重量的。它的重量相对较轻。在温度20℃，压力为一个大气压（760mmHg），湿度为65%时，空气的比重是：1.204㎏f/m3，这意味着它比同体积的水、钢铁等物质轻得多。这个值会让你真切地感受到身边大气的存在。

例如两个充满空气的气球放在天平的两侧平衡，刺破一个气球后，平衡就会被破坏。说明空气是有重量的。

⒋ 占据空间：空气占据空间，无处不在，没有固定的形状和体积。

将一张普通的餐巾纸放入烧杯中。然后将烧杯倒扣放入水槽中，全部浸没。取出，这张纸为什么没有湿呢？原来是烧杯里充满空气，而空气占据了空间，给这张纸提供了一个干燥的环境。

⒌ 可压缩性：空气易被压缩，当外界施加压力时，空气分子之间的距离会缩小，从而使空气的体积缩小。

例如用一只普通的注射器，分别抽进空气和水，然后用手指堵住管口，用同样大小的力压活塞和向上拉活塞。空气是可以被压缩或扩大的。

⒍ 热胀冷缩：空气是一种能够被加热和冷却的物质。当空气被加热时，分子之间的距离会增大，从而使空气的体积增大；当空气被冷却时，分子之间的距离会缩小，从而使空气的体积缩小。

⒎ 温度变化快：温度是分子动能的宏观结果，是表示湿空气冷热程度的物理量。空气的温度变化比较快，这是因为空气的热容比较小，所以在加热或冷却时，温度变化比较快。

⒏ 扩散性：空气分子之间存在着相互作用，因此它们具有扩散性。当两种气体混合时，它们会通过分子之间的相互作用扩散到彼此之间，从而形成一个稳定的混合物。

⒐ 湿度：空气的湿度决定于空气中所含水蒸气的分量。湿度分为绝对湿度和相对湿度。

⒑ 水蒸气分压力：指湿空气中水蒸气的分压力，是湿空气中的水蒸气单独占有湿空气的体积，并具有与湿空气相同温度时所具有的压力。

在一定的温度和压力下，湿空气中水蒸气的含量（即水蒸气密度）是有一定限度的，在某温度下所含水蒸气的量达到最大可能含量时，这时的湿空气叫饱和空气。

水蒸气未达最大可能含量时的湿空气就叫未饱和空气。未饱和空气在成为饱和空气的瞬间，湿空气中会有液态水珠凝结出来，这一现象称为“结露”。

未饱和空气在保持水蒸气分压不变（即保持绝对含水量不变）情况下降低温度，使之达到饱和状态时的温度叫露点。

⒒ 空气的压力：大气压力是指大气层在地球表面单位面积上形成的压力。

由于大气有重量，它对地球表面有压力，这种压力叫做“大气压”。一个大气压的压力等于0.1013Mpa（折合1.0332㎏f/㎝2或760mmHg）。也就是说地球上每个物体上都承受着每平方厘米1.0332㎏f的压力。

当空气的压力低于一种大气压时，单位体积内的空气分子数就会变少；当空气分子变得非常少时，我们说这是真空状态。可见真空是相对于大气压的空气而言的，是空气非常稀薄（即空气分子少）的状态。

⒓气压变化大：空气的压强会随着海拔高度的增加而减小。在海平面上，空气的压强约为101.3千帕，但随着海拔的升高，空气的压强会逐渐降低。

⒔空气被压缩时放出热量，膨胀时吸取热量：当空气被压缩时其温度会上升，假如压缩过程被绝热处理（压缩过程没有和外界的热量互换），我们称这样的压缩为绝热压缩。

当把温度为30℃的空气进行绝热压缩到0.69Mpa(7㎏f/㎝2)时温度会升到271℃。实际上空气的压缩过程必然有和外界的热量互换，人们在对空气进行压缩时往往会采用换热装置将压缩过程产生的热量带走，从而保证压缩后的空气温度控制在人们的使用范围内。

相反假如让已被压缩的空气膨胀时它要从周围环境中夺取它被压缩时放出的同等热量，运用这个特性人们可以运用压缩空气对周围的物体进行冷却。

⒕空气的流速

将已被压缩的空气在大气中放出时其流速靠近于音速（340m/sec），这个速度往往会产生锋利的叫声。因此在使用压缩空气时绝对不能把它当作身边的大气，一定要注意其危险性。

⒖空气的流动性

空气是流动的，不是原地不动的。

空气有从压力高的地方向压力低的地方流动的性质。空气不流动时在同一空间内各处的压力是相似的，但当空气进行流动时，其压力会越来越低。

空气的压力、流速和流经管路的表面光洁度是影响空气压力降的几大原因。

空气的每一项特点都具有其独特的意义和作用。这些指标共同描述了空气的基本物理状态，对于气象学、环境科学、暖通空调等多个领域都有着重要的意义。这些特点使得空气成为地球上生命不可或缺的组成部分，在自然界和人类生活中扮演着重要的角色。了解空气的特点，我们可以更好地理解和应用它，从而更好地保护我们的环境和健康。

四、空气的污染

⒈ 主要来源

⑴ 人为污染源（主要贡献者）

① 工业排放

工厂生产：燃煤、石油等能源消耗释放二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM2.5/PM10）及重金属（如铅、汞）。

化工业：挥发性有机物（VOCs）和有毒气体（如苯、甲醛）的泄漏。

② 交通污染

机动车尾气：汽油/柴油燃烧产生一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、NOx和黑碳颗粒。

非道路机械：船舶、飞机、工程机械的柴油排放。

③ 能源生产与使用

燃煤电厂：全球约40%的电力依赖燃煤，导致大量SO₂和PM2.5排放。

家庭燃煤/生活物质：发展中国家取暖、烹饪产生的室内污染（如CO、PM）。

④ 农业活动

化肥使用：氨气（NH₃）挥发与PM2.5二次生成有关。

秸秆焚烧：短时间内释放大量烟尘和CO₂。

⑤ 城市与建筑活动

建筑施工：扬尘（PM10）、机械排放。

垃圾焚烧：不完全燃烧产生二噁英、颗粒物。

⑵ 自然污染源

沙尘暴：干旱地区风力作用携带粉尘（如中亚、撒哈拉）。

火山喷发：释放SO₂、火山灰（影响全球气候）。

森林火灾：自然或人为引发的火灾产生CO、PM和VOCs。

生物排放：植物释放的萜烯类物质（可与NOx反应生成臭氧）。

⑶ 其他特殊来源

跨国污染：污染物通过大气环流跨境传输（如东亚季风携带污染物至周边国家）。

二次污染物：如臭氧（O₃）由NOx和VOCs在阳光下反应生成，非直接排放但危害显著。

不同地区的污染源占比差异较大：发达国家以交通和工业为主；发展中国家可能叠加燃煤、农业和垃圾焚烧等多重因素。

当前全球关注重点为PM2.5、臭氧和温室气体的协同控制。

⒉ 空气污染对人体多系统健康的危害

空气污染对人体健康的影响是多系统、多层次的，长期暴露可能导致慢性疾病甚至致命后果：

⑴ 呼吸系统损害（直接接触靶器官）

①急性刺激与炎症

PM2.5、臭氧等污染物可引发咳嗽、喉咙痛、支气管收缩，加重哮喘和慢性阻塞性肺病（COPD）。

②长期病变风险

长期暴露于高浓度PM2.5环境，肺癌风险提升20%-30%。

二氧化氮（NO₂）会导致肺泡结构破坏，加速肺功能衰退。

⑵ 心血管系统危害（全身性影响）

①缺血性心脏病与中风

细颗粒物进入血液后引发全身炎症，促进动脉粥样硬化，心肌梗死风险增加10%-15%。

一氧化碳（CO）与血红蛋白结合，降低血氧输送能力。

②血压与心率异常

短期暴露于高污染环境可导致血压波动，长期可能发展为高血压。

⑶ 神经系统与认知功能

①神经退行性疾病

PM2.5可穿透血脑屏障，与阿尔茨海默病、帕金森病发病率正相关。

儿童长期暴露可能影响大脑发育，导致智商降低2-3个点。

②心理健康关联

高污染地区抑郁症发病率显著升高，可能与炎症因子影响神经递质有关。

⑷ 其他系统影响

免疫系统：污染物抑制免疫功能，增加感染风险。

生殖系统：男性精子质量下降，孕妇早产率升高。

皮肤老化：多环芳烃（PAHs）加速皮肤胶原蛋白流失。

⑸ 敏感人群差异

儿童：肺部发育未完成，单位体重呼吸量更高，更易受损。

老年人：基础疾病多，代偿能力差。

户外劳动者：暴露时间长，累积剂量大。

⒊防护建议

实时监测空气质量指数，PM2.5＞100时减少户外活动。

使用N95口罩或空气净化器（CADR值≥300）。

饮食补充维生素C、E等抗氧化剂，减轻氧化应激损伤。

五、空气的用途：

空气的用途广泛，不仅关乎生物的生存和自然环境的平衡，也是现代科技和工业发展的重要基础。空气的用途主要包括以下几个方面：

生命支持：空气是地球上的动植物生存的必要条件，空气中的氧气是人类和其他生物进行呼吸作用的必需品，对于生命的维持至关重要。此外，植物的光合作用也需要空气中的二氧化碳。

温度调节：大气层像一层厚厚的“被子”盖在地球上，保持地球温度的相对稳定，维持地球昼夜温差不过大，使地球上的温度保持相对稳定，使我们能生活在即不太冷又不太热的环境中；如果没有大气层，白天温度会非常高，而夜间温度会非常低。

防护屏障：空气是宇宙排列物质的空间。宇宙空间里的所有物质，都是用空气来阻隔的。大气层能够阻止来自太空的高能粒子过多地进入地球，也能使陨石在进入大气层后因摩擦而减速或燃烧，从而减少对地球的撞击威胁。臭氧层吸收来自太阳的紫外线，保护地球上的生物免受伤害。大气能阻挡来自宇宙空间的各种射线，保护地球上的生物免受它们的伤害。

天气影响：空气活动影响季节变化，寒露后北方冷空气势力增强，推动深秋向冬季过渡。

能量传输与存储：空气能作为一种环保、低碳、高效的能源，广泛应用于建筑、工业、农业和交通等领域。例如，在建筑领域，空气能用于供热和供暖；在工业领域，空气能用于制冷、干燥、除湿等工艺过程；在农业领域，空气能用于控制温度和湿度，调控农产品的生长环境；在交通领域，空气能作为车载空调制冷剂使用。

声音传播：声音的传播需要介质，空气就是声音传播的重要介质之一。

促进物质循环：空气中的氮气是构成蛋白质等生物分子的重要元素，通过生物固氮和工业固氮等方式，氮气可以转化为生物可利用的形式，参与生物圈的物质循环。

科技与工业应用：压缩空气在科技和工业领域有广泛应用，如驱动气缸、气动马达，作为能量载体，以及在自动化控制中的应用。

其它用途

空气能助燃：因为空气中有氧气，使空气具有助燃性。在适宜的条件下，氧气可以与其他物质发生燃烧反应，从而释放能量。

空气有压力：压力在人类的生产、生活起着重要的作用。

空气有浮力：靠它小鸟、飞机才能在空中飞翔。

空气不仅是生命赖以生存的基础气体混合物，其组成可通过实验验证，并在工业中转化为动力能源。理解空气的成分、性质及其在不同领域的应用，有助于我们更好地保护空气质量、安全使用相关技术，并认识地球生态环境的运作机制。