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。

氮 — 78.084% 氧 — 20.946% 氩 — 0.934% 其他 — 0.036%
名称Formula体积 %
氮N₂78.084
氧O₂20.946
氩Ar0.934
二氧化碳CO₂0.042
氖Ne0.001818
氦He0.000524
甲烷CH₄0.00019
氪Kr0.000114
氢H₂0.00005

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。