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[技术] 气体动力基础之---空气的组成

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发表于 2007-9-30 11:51:55 | 显示全部楼层 |阅读模式

空气的组成
作者:diyman 日期:2006-07-08字体大小: 小 中 大


 

 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。
 


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