据科学家测定,在干燥的空气中(按体积比例计算)有约78%的氮气、约21%的氧气、约094%的惰性气体、约003%的二氧化碳、约003%的其他杂质。
当然,空气的成分不是固定的,随着高度的改变、气压的改变,空气的组成比例也会改变。
燃烧需要氧,当盖上锅盖后,锅内空气中的氧气很快用完,火也就会熄灭。
在通常状况下,氮气的化学性质很不活泼,所以它常被用做保护气。例如,焊接金属时用氮气保护金属使其不被氧化;在灯泡中填充氮气以防止钨丝被氧化或挥发;粮食、罐头、水果等食品,也常用氮气做保护气,以防止食品腐烂;在医学上,常用液氮给手术刀降温,让它成为“冷刀”。医生用“冷刀”做手术,可以减少出血或不出血,手术后病人能更快康复。在高科技领域中常用液氮制造低温环境,如有些超导材料就是在经液氮处理后的低温下才获得超导性能的。
氮也是“生命的基础”,它不仅是庄稼制造叶绿素的原料,而且是庄稼制造蛋白质的原料,据统计,全世界的庄稼,在一年之内,要从土壤里摄取约4000万吨氮。
从铁器上削下一把不带铁锈的铁屑,把它润湿后撒在一片木头上,使木片浮在一盆浅水中。然后用一只大玻璃杯倒扣在水中,罩住木片。静置三四天,就见铁屑上生了铁锈,盆里的水已稍稍上升。这说明杯中空气减少了,因为空气中的一部分氧和铁化合成了氧化铁(即铁锈)。
大气层可分为几个层,对流层、平流层、中间层、热层、电离层,而对我们关系最密切的是从10-12公里以内的这一层空气对流层,主要天气现象云、雨、雪、雹等都发生在这一层里,而北极光出现在离地面80-500公里这些区域里,500公里以上叫外大气层,也叫磁力层,是大气层向星际空间过渡的区域。
通常把1000千米之内,即电离层之内作为大气的高度,即大气层厚1000千米
大气的组成,在120公里以下的高空中,大气的主要组成为:氮分子占7800%(N2)和氧分子占(O2)2025%的均匀混合体,其次为093%的氩(Ar)与003%的二氧化碳(CO2)。再其次的组成元素(按含量的递减而排列)为氖、氦、氪、氙、氢、氯、氧化亚氮、臭氧、二氧化硫、二氧化氮、氨、一氧化氮及碘。二氧化碳及臭氧在大气中的含量虽然很少,但它们确是大气中之重要成分,因为二氧化碳可保持环境温度,臭氧则可防止太阳的某种有害人类之短波辐射至地面。大气中的水蒸汽及微尘之含量,则是随高度之增加而降低,它们对于大气之变化,都有重要的作用。它们可使天气有雨、云、雾等的变化。大气组成元素的分布,在120公里以上的高空,随原子量的不同而异。在120公里以下的高空,大气组成为氮分子及氧分子的混合气体;由120公里至1000公里,氧原子占主要位置;1000至2500公里为氮层,2500公里以上的太空中为氢气,而且氢气由此一直延伸至星际太空中。
分布于岩石圈表面及外部的空气层称为大气圈。大气圈与星际空间没有明显的界限,大气的密度随距地表高度的增大而渐趋稀薄。根据大气的组成状况,将大气分为均匀层(低层大气)和非均匀层(高层大气)。100km高度以下为均匀层,约97%的大气质量集中在距地表29km内的均匀层中。实际上所测得的大气成分均来自均匀层的下部。
大气的成分主要为N2、O2、Ar和CO2,这四种气体即占大气总体积的99965%,痕量气体有H2、Xe、Kr、CO、CH4和O3等(表1-17)。
表1-17 现代地球大气的成分
氮和氧是大气的主要成分,约占大气体积的99%。它们主要来自地球内部。由地球去气作用释放的氮约90%进入大气中。生物消耗氮,但死亡腐烂后,又转化为NH3重新返回大气圈,另一部分则保留在沉积物中,并可富集成为硝石矿床。
大气中的氧约占大气总体积的1/5。植物的光合作用可产生氧:
地球化学原理(第三版)
在大气中,由高能射线与水气互相作用,可以得到氧:
地球化学原理(第三版)
氧不断的产生又被消耗。生物呼吸时需要大量的氧,机体死亡分解时消耗氧。在地表条件下元素由低价变为高价时需要氧。氧的循环对元素的迁移有着重大的影响。例如硫化物矿床风化过程中,在含游离氧的水的作用下,硫化物被分解,如:
地球化学原理(第三版)
硫化物被分解后,金属元素的盐类、水化合物和氧化物在酸性介质中具有很大的迁移力,常自氧化带中淋滤而流失。
虽然大气中的二氧化碳很少,但其意义很大。岩石的风化,植物的光合作用,碳酸盐的产生以及气候的调节,都需要二氧化碳的参与。它和氧都是地球表生作用中化学运动的重要营力。
大气中还含有气态的水,在低层大气中最高含量可达1%。
火山和人类活动,使大气的成分含有不定量的其他气体,如NH3、CO、SO2、N2O、I2和CH2O等。这些气体虽在大气总量中一般为痕量成分,但超过允许剂量时,对人类和动植物的生存环境都是有害的。
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