Vzduch je zmes, nie zlúčenina
Jednou z najdôležitejších vecí, ktoré treba o vzduchu vedieť, je to, že je to zmes, nie chemická zlúčenina. To znamená:
- Plyny vo vzduchu nie sú chemicky viazané na seba navzájom
- Ich pomery sa môžu mierne meniť (napríklad vlhkosť mení množstvo vodnej pary)
- Jednotlivé plyny je možné od seba oddeliť — napríklad ochladením vzduchu, kým sa nestane kvapalným, a potom postupným odparovaním rôznych plynov pri rôznych teplotách
Keby bol vzduch zlúčeninou, oddeľovanie jeho zložiek by si vyžadovalo prerušenie chemických väzieb. Pretože je to zmes, postačujú fyzikálne metódy.
Zloženie suchého vzduchu
Tu je to, z čoho sa skladá suchý vzduch (vzduch bez vodnej pary):
| Plyn | Chemický vzorec | Približné percento |
|---|---|---|
| Dusík | N₂ | ~78 % |
| Kyslík | O₂ | ~21 % |
| Argón | Ar | ~0,93 % |
| Oxid uhličitý | CO₂ | ~0,04 % |
| Iné plyny (Ne, He, Kr, CH₄…) | rôzne | stopové množstvá |
Všimnite si, že dusík a kyslík spolu tvoria asi 99 % všetkého vzduchu, ktorý dýchame. Ostatné plyny, hoci sú prítomné v malých množstvách, stále zohrávajú dôležitú úlohu.
Okrem týchto plynov skutočný vzduch vždy obsahuje nejaký množstvo vodnej pary (H₂O) — toto množstvo sa líši od takmer 0 % v púšti až po asi 4 % v tropickom dažďovom pralese za vlhkého dňa.
Keď hovoríme o "dýchaní", myslíme si často len na kyslík — ale dýchame súčasne všetky tieto plyny. Naše telo využíva len kyslík (asi 21 %) a vydychujeme mierne odlišnú zmes: menej kyslíka (~16 %), viac oxidu uhličitého (~4 %) a rovnaké množstvo dusíka a argónu.
Úloha každého plynu
Dusík (N₂) — ~78 %
Dusík je najhojnejší plyn vo vzduchu, ale je veľmi nereaktívny. Nehorí, nepodporuje horenie a nereaguje ľahko s väčšinou látok. Jeho hlavné úlohy sú:
- Riedenie kyslíka — keby bol vzduch čistý kyslík, požiare by boli oveľa intenzívnejšie a naše pľúca by boli poškodené
- Živina pre rastliny — prostredníctvom kolobehu dusíka sa dusík zo vzduchu premieňa na formy, ktoré môžu rastliny absorbovať a využiť na tvorbu bielkovín
Kyslík (O₂) — ~21 %
Kyslík je plyn, ktorý potrebujeme na prežitie. Využíva sa pri:
- Dýchaní — všetky živé bunky využívajú kyslík na uvoľňovanie energie z glukózy
- Horení — oheň a spaľovanie vyžadujú kyslík; bez neho plamene hasnú
- Priemysle — kyslík sa používa pri výrobe ocele, zváraní a v nemocniciach
Oxid uhličitý (CO₂) — ~0,04 %
Napriek tomu, že oxid uhličitý tvorí menej ako 0,1 % vzduchu, má obrovský význam:
- Fotosyntéza — rastliny absorbujú CO₂ zo vzduchu a premieňajú ho na glukózu pomocou slnečného svetla
- Skleníkový efekt — CO₂ zachytáva teplo v atmosfére, čím udržiava Zem dostatočne teplou pre život
- Priemyselné použitie — hasiace prístroje, sýtené nápoje, suchý ľad
Argón (Ar) — ~0,93 %
Argón je ušľachtilý plyn — úplne nereaktívny. Používa sa na plnenie žiaroviek (zabraňuje oxidácii wolfrámového vlákna) a na vytváranie inertných atmosfér pri zváraní.
Vodná para (H₂O) — premenlivé množstvo
Vodná para je zodpovedná za oblaky, dážď, sneh a vlhkosť. Prispieva tiež k skleníkovému efektu.
Skutočný svet: Čo vydychujeme
Keď dýchate dovnútra, vzduch obsahuje asi 21 % O₂ a 0,04 % CO₂. Keď vydychujete, zmes obsahuje asi 16 % O₂ a 4 % CO₂, spolu s vodnou parou. Vaše bunky spotrebovali kyslík a uvoľnili oxid uhličitý ako odpadný produkt dýchania. Ak dýchnete na studené okno, vodná para skonzenzuje a zahmlí sklo — táto vlhkosť je skutočne súčasťou toho, čo vydychujete pri každom nádychu.
Kolobeh dusíka
Dusík tvorí 78 % vzduchu, ale väčšina živých organizmov ho nemôže priamo využívať v plynnej forme (N₂). Kolobeh dusíka opisuje, ako sa dusík pohybuje medzi atmosférou, pôdou, rastlinami a živočíchmi:
- Fixácia dusíka — špeciálne baktérie v pôde a v koreňoch strukovín (ako fazuľa a ďatelina) premieňajú plynný N₂ na amoniak (NH₃) alebo dusičnany (NO₃⁻), ktoré môžu rastliny absorbovať
- Absorpcia — rastliny prijímajú tieto zlúčeniny dusíka cez korene a využívajú ich na tvorbu bielkovín
- Konzumácia — živočíchy jedia rastliny a využívajú rastlinné bielkoviny na tvorbu vlastných bielkovín
- Rozklad — keď živočíchy a rastliny uhynú, rozkladačské baktérie rozkladajú bielkoviny späť na amoniak
- Denitrifikácia — iné baktérie premieňajú dusičnany späť na plynný N₂, čím ho vracajú do atmosféry
Ako Lavoisier objavil kyslík vo vzduchu
V 18. storočí vedci nevedeli, z čoho sa vzduch skladá. Francúzsky chemik Antoine Lavoisier (1743–1794) vykonal experimenty, ktoré ukázali, že len časť vzduchu podporuje horenie a dýchanie.
Zahrial ortuť v uzatvorenom nádobe. Po nejakom čase ortuť nabrala na hmotnosti (tvorila sa červená ortuťnatá ruda) a objem vzduchu v nádobe sa zmenšil asi o jednu pätinu. Zostávajúci plyn (dusík) nepodporoval horenie.
Lavoisier dospel k záveru, že vzduch obsahuje (minimálne) dva plyny: jeden, ktorý podporuje horenie (ktorý pomenoval kyslík, z gréčtiny "tvorca kyselín") a jeden, ktorý nie. Toto bol revolučný objav, ktorý nahradil starú "flogistónovú" teóriu horenia.
Skutočný svet: Priemyselné využitie dusíka a kyslíka
Dusík aj kyslík sa z vzduchu priemyselne získavajú ochladením vzduchu na extrémne nízke teploty (pod −196 °C), kým sa nezriedi. Kvapalina sa potom pomaly zahrieva — dusík sa odparí ako prvý pri −196 °C, potom kyslík pri −183 °C, čo umožňuje ich oddelenie. Tekutý dusík sa používa na zmrazovanie potravín, uchovávanie biologických vzoriek a chladenie prístrojov MRI. Priemyselný kyslík sa používa v nemocniciach, oceliarnach a raketových motoroch.
Vzduch vs. kyslík — dôležitý rozdiel
Mnohí ľudia si mýlia vzduch a kyslík. Nie sú to isté veci:
| Vlastnosť | Vzduch | Kyslík |
|---|---|---|
| Zloženie | Zmes N₂, O₂, Ar, CO₂ a ďalších | Čistý plyn, len O₂ |
| Farba | Bezfarebný | Bezfarebný |
| Podporuje horenie? | Áno (pretože obsahuje O₂) | Áno, silnejšie ako vzduch |
| Možno ho priamo dýchať? | Áno | Áno, v zdravotníckych zariadeniach |
Cvičné príklady
Uveďte približné percento dusíka, kyslíka a oxidu uhličitého v suchom vzduchu.
Zobraziť odpoveď
Vysvetlite, prečo sa vzduch opisuje ako zmes, a nie ako zlúčenina.