第五节  空气的组成和性质

1.5.1   空气

1. 空气的组成， 实验测定，干燥空气的平均组成如表1-3所示。且各组成部分之间的比例，在地球的任何地区几乎是恒定不变的。

表1-3干燥空气的组成

由此可见，空气中主要成分是氧、氮和氩。在一般情况下，近似认为空气中含有20.9%的氧和的79.1%氮。这样把空气称为氧和氮的二元系统。在精确计算中，因为空气中含有的20.9%氧、78.1%的氮和0.932%的氩。这时把空气称为氧、氮、氩三元系统。在不考虑空气的化学性质时，可以把空气看成单一物质，其分子量为28.96，则1千克摩尔空气为28.96公斤。

空气中除了含有氧、氮和氩外，还含有氖、氦、氪、氙气体。这些气体（包括氩）在内气中含量极少，在自然界中不易得到，所以称它们为稀有气体。由于这些气体的化学性质稳定，又有“惰性气体”之称。

此外因地区条件的不同，空气中还含有少量的（不定量的）水蒸气、二氧化碳、乙炔等气体及机械杂质。

2. 空气的性质， 在常温下空气是无色、无味、透明的气体。大气层中因有臭氧（o₃）存在，而呈现天兰色。在1大气压下，空气的液化温度为-191.35℃（81.8k），气化温度为-194.35℃（78.8k）。在1个大气压下，将空气冷却到-213℃（60.15k）时，则变成固体。

使气体转变为液体的温度称为液化温度。液化温度与压力有关，气体的压力越小，其液化的温度越低，反之亦然。但是，对每一种气体来讲都有着一个温度，大于这个温度时，无论在任何压力下也不能使这种气体液化，这个温度称为气体的临界温度，其压力称为临界压力。空气的临界温度为-140.63℃（132.52k），也就是说空气必须在低于-140.63℃的温度时才可能液化，这也就是用分馏塔分离空气的方法，我们把它叫做深冷空气分离法的原因。

空气及各组分的主要物理参数见附表1。由表可见，在1atm时氧的沸点90.17k（-182.98℃），氮的沸点77.35k（-195.80℃），两者的沸点相差的13℃。氩的沸点为87.291k（-185.86℃），它介于氧和氮沸点中间。低温液化精馏法就是利用氧、氮沸点不同把空气分离为氧气和氮气。显然氩气在精馏中，将会影响氧和氮的纯度。

空气是目前工业化分离中制取氧、氮气的原料，空气是最廉价、是取之不尽，用之不竭的原料。人的生命和动植物的生长也离不开空气。

1.5.2   氧的性质

氧是地球上分布最广，数量最多的化学元素，它的重量占我们地壳总重量的48.6%。自然界的氧系由三种稳定的同位素组成，它们的原子分别为16、17和18，其比值为10000：4：20。氧的同位素是不易分离的。氧的化学性质很话泼，非常容易与其它物质化合生成化合物。以游离形式存在于大气中的氧，是双原子构成的氧分子O₂,至于亚稳定的臭氧O₃本教材不作详细讨论。

1. 氧的物理性质

在常温常压下（一般指20℃,  1atm），氧为无色透明、无臭无味的气体。氧在1大气压下冷却到-183℃时，变成天兰色、透明、易于流动的液体。当继续冷却到-218.79℃时，液氧将转变成兰色固体结晶。

在0℃、760mmHg条件下，1Nm³（标准米³）氧气重1.4289公斤。在1atm下，沸腾时1升液体氧重1.140公斤。1升液体氧全部气化成标准状态下的气体氧，体积将扩大到800升。

氧能溶解于水。在标准状态下，100体积的水中可溶解体积5的氧，当温度上升20℃时，100体积中的水仅能溶解体积3的氧。氧在水中的溶解度对于水生动物有重大的意义。另外因为氧气在水中溶解度很小，所以实验室里收集氧气时往往采用水集排气法。

氧气与其它气体显著不同的在于它具有强烈的顺磁性。即氧气分子在磁铁的作用下，可带磁性，并可被磁极所吸引。氧的这种顺磁性已被用来制作氧的磁氧分析仪，用于分析氧气的纯度。

2. 氧的化学性质

氧气的化学性质很活泼，非常容易与其它物质化合生成化合物，这样的化学过程称为氧化反应。氧的纯度越高，反应越激烈，同时放出大量的热。用氧气强化钢铁的治炼过程和燃料的燃烧过程就是这个道理。

氧气有助燃的性质。例如，若将只发烟而未燃烧的木棒引入盛有氧气的容器中，则木材即燃起明亮的火焰。氧与可燃性气体（氢、乙炔、甲烷等）按一定比例混合后易发生爆炸。如氧气与氢气接触易发生爆炸而生成水，同时放出热量。各种油脂（甘油除外）与压缩的氧气接触时，温度超过燃点，可发生自燃。被氧饱和的衣服及其它纺织品与火种接触时会立即着火。

将液态氧通过长期触放电作用，能部分转变为新的化学物质—液态臭氧（O₃），液体臭氧是深兰色易爆炸的液体。这种液氧与固体可燃性吸附剂（黑炭、木屑、金属粉末等）组成的爆炸混合物称为液氧炸药。

氧还与若干个元素化合时生成过氧化物。如；Na+O₂=NaO₂

NaO₂叫过氧化钠，稀硫酸与过氧化钠作用可生成过氧化氢（俗称双氧水）。

NaO₂+H₂SO₄=NaSO₄+H₂O₂过氧化氢（H₂O₂）是不稳定化合物，具有强烈的氧化作用。

综上所述，氧的化学性质很活泼，与各种元素化学反应猛烈，有助燃性，反应时产生高温为其特点。由于氧的化学性质活泼，就要求制氧站必须十分重视安全工作，严禁烟火。

由于氧具有上述特性，使其在冶金、化工、国防工业等部门具有广泛的用途。在国防中用于高空飞行、潜水作业和用液氧作为火箭的助推燃料等。此外在医疗救护、城市污水处理等方面也有广泛的作用。

1.5.3 氮的性质和用途

1. 氮的性质，氮在自然界中分布很广，大部分是以有机化合物的状态存在。在空气中含量高达78.03%（体积）。氮的原子量为14.008，它有原子量为14和15的二种稳定同位素，它们的比值为10000：38。

在常温，常压下氮是无色、无味、无臭的气体，在标准状态下密度为1.252kg/m³，比空气略轻。将氮气冷却到-195.79℃时变成无色透明、易于流动的液体，它既不爆炸也无毒性。在1atm下，沸腾时1升液氮重0.808公斤。1升液氮全部气化成标准状态下的气氮，体使将扩大到650升。继续冷却到-210℃时，液氮凝固成雪花状的固体。

氮为双原子分子，由于组成气分子的两个原子以三个键相联系，结合得很坚固。因此通常情况下氮的化学性质不活泼，表现为很大的惰性。故可用作保护气体。

2. 氮的用途， 氮气由于它的惰性及其在液态下的低温，使其应用范围很广。氮气在化工、冶金、原子能、电子、玻璃及食品等工业部门被广泛应用，要求氮的纯度在99.99%以上。液氮在科学研究、金属低温处理、食品冷冻、冷藏、冷冻运输、冷冻医疗、保存生物等领域广泛地作低温冷源。另外氮气在化工工业中既是化肥生产合成氨、石油气的主要原料，也是化纤生产中重要保护气体。

在国防工业中，液氮可作火箭燃料的压送剂。飞机缓冲器、作动筒等都需要充入一定压力的氮气，用于减震、收放起落架、操纵转弯、刹车和应急系统等。随着航空技术的不断发展，在航空仪器、导弹、等系统采用氮气保护也越来越广泛。