空气的成分:地球大气中各种气体的百分比
海平面处的干燥空气是多种气体的混合物,主要是氮气和氧气。图表显示每种气体的化学式及其体积百分比。
| 名称 | Formula | 体积 % |
|---|---|---|
| 氮 | N₂ | 78.084 |
| 氧 | O₂ | 20.946 |
| 氩 | Ar | 0.934 |
| 二氧化碳 | CO₂ | 0.042 |
| 氖 | Ne | 0.001818 |
| 氦 | He | 0.000524 |
| 甲烷 | CH₄ | 0.00019 |
| 氪 | Kr | 0.000114 |
| 氢 | H₂ | 0.00005 |
海平面处的干燥空气。水蒸气含量在约 0–4% 之间变化。二氧化碳每年大约上升 2–3 ppm。
图表显示的内容
氮气(N₂)占干燥空气的 78.084%,氧气(O₂)占 20.946%,二者合计约 99%。氩(Ar)占 0.934%,几乎是其余的全部。二氧化碳约占 0.042%,即百万分之 420(ppm),氖、氦、甲烷、氪和氢只含痕量。
如何理解这些百分比
这些数值是体积百分比。对于气体,体积百分比等于物质的量百分比,因为在相同温度和压强下,相同体积的气体含有相同数目的分子。这些数字针对干燥空气;实际空气还含有从几乎 0% 到约 4% 的水蒸气,会使其他百分比略为降低。
成分为何重要
氧气维持呼吸和燃烧,而氮气起稀释作用;在纯氧中,火会烧得猛烈得多。氩不活泼,所以焊接时用来保护金属。它之所以含量可观,是因为岩石中的钾-40 会缓慢衰变成氩-40。
二氧化碳和甲烷只占很小的比例,但它们是能留住热量的温室气体,二氧化碳每年大约上升 2 至 3 ppm,主要来自化石燃料的燃烧。工业上把空气冷却到液化,再蒸馏,从而分离出氮、氧和氩。
例题
道尔顿定律指出,每种气体对总压强的贡献与其所占比例成正比。在海平面压强 101.325 kPa 下,氧气的分压为 0.20946 × 101.325 kPa = 21.22 kPa。同样,10.0 L 干燥空气样品中约含 7.81 L 氮气、2.09 L 氧气和 0.0934 L 氩。
常见问题
空气中氧气占百分之几?
氧气按体积计占干燥空气的 20.946%,通常取整为 21%。在珠穆朗玛峰顶,这一比例几乎不变;随海拔升高而下降的是总压强,所以每次呼吸吸入的氧气更少。
大气中含量最多的气体是什么?
氮气 N₂,按体积计占干燥空气的 78.084%。它相当不活泼,因为连接两个氮原子的三键非常牢固。
空气的摩尔质量是多少?
干燥空气的平均摩尔质量约为 28.97 g/mol,是按各气体的摩尔分数对其摩尔质量加权求得的。摩尔质量较小的气体,如 4.003 g/mol 的氦,会在空气中上升。
空气是化合物还是混合物?
空气是混合物。其中的气体彼此之间没有化学键合,成分会有变化(例如水蒸气),并且可以用物理方法分离,如液态空气的分馏。