空气组成气体的性质详解

1.空气

空气是一种多组分混合气体，其主要组分是氧、氮、氩、二氧化碳，还有微量的稀有气体（氖、氦、氪、氙、氢）、甲烷及其他碳氢化合物、臭氧等。此外，空气中还含有少量且不定的水蒸气及灰尘等。干燥空气的组成列于表30-2中。若不考虑水蒸气、二氧化碳和各种碳氢化合物，则地面至100km高度的空气的平均组成保持恒定值。空气的组成随高度而变，且明显地同每天的时间及太阳活动有关。但是，空气组成的局部分布是不一致的，即使在海平面上也是如此。例如靠近赤道区域的空气的含氧量，比两极地区高；陆地和海面上方的空气组成有差异；各个工业区空气的成分和杂质含量也各不相同。常温下的空气是无色无味的气体，液态空气则是一种易流动的浅蓝色液体。一般当空气被液化时，二氧化碳已经清除掉，所以可认为液态空气的质量分数是20.95%氧、78.12%氮和0.93%氩，其他组分含量甚微，可以略而不计。空气作为混合气体，在定压下冷凝时，温度连续地有所降低。如在标准大气压（101.3kPa）下，空气于81.7K（露点）开始冷凝，温度降低到78.9K（泡点）时全部转变为饱和液体。这是由于高沸点组分（氧、氩）开始冷凝较多，而低沸点组分（氮）到过程终了才较多地冷凝。液态空气是混合液体，在定压下蒸发时，蒸发温度也是连续变化的。随着蒸发过程的进行，因低沸点组分氮较多地蒸发，混合液体组成发生变化，致使液体中的高沸点组分氧含量相应地增加，因而沸点也就相应提高。液态空气具有较低的沸点和凝固温度（约为60.15K），可以用作有效的冷却剂。通过减压（抽真空）的方法，还可以将其沸点温度降低到65K左右。但是这种操作是危险的，因为蒸发会使剩余的液体中氧的含量增加，在减压用的真空泵里会引起爆炸。

表30-2 干燥空气的组成

2.氮

氮的原子数是14，它具有两种稳定的同素异形体，中子数分别为14和15。这两种同素异形体的相对含量为10000∶38，要使它们分离是相当困难的。氮是一种无色无味的气体，比空气稍轻，难溶于水。氮的化学性质不活泼，在通常情况下很难跟其他元素直接化合，故可用作保护气体；但在高温下，氮能够同氢、氧及某些金属发生化学反应。氮无毒，又不能磁化，其沸点比空气低，所以液氮是低温研究中最常用的安全冷却剂，但需当心窒息。液氮也用于氢、氦液化装置中作为预冷剂。液氮应小心贮存，避免液氮同碳氢化合物长时间的接触，碳氢化合物过量溶于其中会引起爆炸。液氮的蒸发温度为77.36K。在标准大气压下，液氮冷却到63.2K时，转变成无色透明的结晶体。液氮的沸点和凝固点之间的温差不到15K，因而在用真空泵减压时容易使其固化。固态氮的密度比液氮大，所以沉降在底部，在大约35.6K时，固态氮产生同素异形转变，并伴随比热容的增大。转化热约为8.2kJ/kg。

3.氧

氧的原子数是16，它有三种稳定的同素异形体，中子数分别为16、17和18。这三种同素异形体的相对含量是10000∶4∶20。氧是一种无色无味的气体，标准状态下的密度是1.430kg/m³，比空气略重。氧较难溶解于水。氧的化学性质非常活泼，它能跟很多物质（单质和化合物）发生化学反应，同时放出热量，反应剧烈时，还会燃烧发光。在标准大气压下，氧在90.188K时变为易流动的淡蓝色液体；在54.4K时凝固成淡蓝色的固体结晶。液氧和固态氧的淡蓝色，是因含有少量的氧聚合物O₄而引起的。虽然氧的沸点比氮几乎高13K，可是它的凝固点却比氮低约9K。固态氧的密度大，因此在液氧中下沉。在43.80K和23.89K时，固态氧发生同素异形转变，并伴随有转化热。在40.80K时，转化热超过熔化热，约等于23.2kJ/kg；在23.89K时，转化热只有2.93kJ/kg。氧与其他大多数气体的显著不同，在于具有强的顺磁性，且某些气态的氧化合物（如一氧化氮）也有顺磁性。氧的这一特性已被利用来制作氧磁性分析仪，根据磁化率的变化，可以测出抗磁性气体混合物中微量氧的含量。由于氧的化学活性很强，是一种强氧化剂，所以氧同碳氢化合物混合是很危险的。液氧中存在碳氢化合物结晶体已不止一次引起过严重的爆炸事故。因此，液氧必须严格避免同各种油脂、润滑油、炭、木材、沥青、纺织物品接触。

4.氩(www.xing528.com)

氩有三种稳定的同素异形体，中子数分别为36、38和40。在大气中相对含量为38∶63∶100000。氩是一种无色无味的气体，不燃烧也不助燃，化学性质很稳定，一般状态下不生成化合物，没有毒性。氩在空气中的体积分数为0.93%，是含量最多的惰性气体。无论按体积分数或是质量分数计算，氩在空气中含量占第三。氩的标准沸点为87.29K，介于氧、氮之间。液氩是一种无色透明的液体，其密度比液氧大。在标准大气压下，氩在83.85K时变成固态，固态氩密度大，沉于液氩下面。氩的热力性质具有如下特点：沸点和熔点之间的温度差别不大，只有3.44K；热导率低；液态和气态的比热容都比较小，而密度却比较大。此外，氩的汽化潜热同液体过冷度的热量的比值几乎是氮的1.5倍，因此用真空泵较易对氩抽空。目前，氩主要从空气分离和合成氨尾气中提取。氩可用作保护气体或用于灯泡工业；液氩和固氩可用作冷却剂。

5.氖

氖有三种稳定的同素异形体，中子数分别为20、21和22。在大气中相对含量为10000∶28∶971。空气中氖的含量虽然甚微，但目前仍只能从空气分离中提取。氖是一种无色无味的气体，化学性质不活泼，没有毒性。由于氖具有低的沸点（标准沸点为27.108K）和较高的密度，且没有危险性，所以是一种很有希望的低温工质，特别适用于透平机械。液氖是无色透明的，三相点温度（24.56K）只比标准沸点低2.5K，所以在液氖上部抽出蒸汽时，很容易使其变为固态。因此，液氖作为低温冷却剂，一般用于40～25K的温度区间。固态氖具有更高的密度，故沉于液氖的底部。

6.氪

氪是一种无色无味的惰性气体，相对分子质量大，密度也大，在标准状态下氪的密度是氮的3倍。此外，氪的热导率很低。氪的标准沸点是119.8K，比氧几乎高30K。液氪同样为无色透明的液体，其密度达2413kg/m³，固态氪的熔点为115.95K。氪不但可从空气分离中提取，还可从合成氨尾气及原子反应堆核裂变气中回收。

7.氙

氙是空气中含量最少的一种稀有气体，体积分数只有0.08×10^-6。氙是一种化学性质不活泼和无毒的气体。在五种稀有气体中，氙的相对分子质量最大、沸点最高；密度最大和热导率最小。液氙无色透明，标准沸点为165.05K，密度高达3057kg/m³，比水要大2倍。固态氙的熔点为161.35K。同氪一样，氙从空气、合成氨尾气、原子反应堆核裂变气中提取。氪、氙常用作混合低温工质中的高沸点组分。