Химический состав воздуха

Воздушная среда, составляющая земную атмосферу, представляет собой смесь газов. Сухой атмосферный воздух содержит: кислорода 20,95%, азота 78,09%, диоксида углерода 0,03%. Кроме того, в атмосферном воздухе содержатся аргон, гелий, неон, криптон, водород, ксенон и другие газы. В небольшом количестве в атмосферном воздухе присутствует озон, оксид азота, йод, метан, водяные пары.

Кроме постоянных составных частей атмосферы, в ней содержатся разнообразные загрязнения, вносимые в атмосферу производственной деятельностью человека.

1. Важной составной частью атмосферного воздуха является кислород, количество которого в земной атмосфере составляет 1,18 · 10¹⁵ т. Постоянное содержание кислорода поддерживается за счет непрерывных процессов обмена его в природе. С одной стороны, кислород потребляется при дыхании человека и животных, расходуется на поддержание процессов горения и окисления, с другой – поступает в атмосферу за счет процессов фотосинтеза растений. Наземные растения и фитопланктон океанов полностью восстанавливают естественную убыль кислорода. При падении парциального давления кислорода могут развиваться явления кислородного голодания, что наблюдается при подъеме на высоту. Критическим уровнем является парциальное давление кислорода ниже 110 мм рт. ст. Снижение парциального давления кислорода до 50-60 мм рт. ст. обычно несовместимо с жизнью. Под влиянием коротковолнового УФ-излучения с длиной волны менее 200 нм молекулы кислорода диссоциируют с образованием атомного кислорода. Вновь образованные атомы кислорода присоединяются к нейтральной формуле кислорода, образуя озон. Одновременно с образованием озона происходит его распад. Общебиологическое значение озона велико: он поглощает коротковолновое УФ-излучение, оказывающее губительное действие на биологические объекты. Одновременно озон поглощает ИК-излучение, исходящее от Земли, и тем самым, предотвращает чрезмерное охлаждение ее поверхности. Концентрации озона неравномерно распределяются по высоте. Наибольшее его количество отмечается на уровне 20-30 км от поверхности Земли.

2. Азот по количественному содержанию является наиболее существенной составной частью атмосферного воздуха, он принадлежит к инертным газам. В атмосфере азота невозможна жизнь. Азот воздуха усваивается некоторыми видами бактерий почвы (азотфиксирующими бактериями), а также сине-зелеными водорослями; под влиянием электрических разрядов превращается в оксиды азота, которые, выпадая с атмосферными осадками, обогащают почву солями азотистой и азотной кислот. Под влиянием почвенных бактерий соли азотистой кислоты превращаются в соли азотной кислоты, которые в свою очередь усваиваются растениями и служат для синтеза белка. Наряду с усвоением азота в природе происходит его выделение в атмосферу. Свободный азот образуется при процессах горения древесины, угля, нефти; небольшое количество его образуется при разложении органических соединений. Таким образом, в природе происходит непрерывный круговорот, в результате которого азот атмосферы превращается в органические соединения, восстанавливается и поступает в атмосферу, затем вновь связывается биологическими объектами.

Азот необходим как разбавитель кислорода, поскольку дыхание чистым кислородом приводит к необратимым изменениям в организме.

Однако повышенное содержание азота во вдыхаемом воздухе способствует наступлению гипоксии вследствие снижения парциального давления кислорода. При увеличении содержания азота в воздухе до 93% наступает смерть.

Кроме азота, к инертным газам воздуха относятся аргон, неон, гелий, криптон и ксенон. В химическом отношении эти газы инертны, в жидкостях организма растворяются в зависимости от парциального давления, абсолютное количество этих газов в крови и тканях организма ничтожно.

3. Важным составным элементом атмосферного воздуха является диоксид углерода (углекислый газ, углекислота,). В природе диоксид углерода находится в свободном и связанном состояниях в количестве 146 млрд т, из них в атмосферном воздухе содержится лишь 1,8% от его общего количества. Основная масса его (до 70%) находится в растворённом состоянии в воде морей и океанов. В состав некоторых минеральных соединений, известняков и доломитов входит около 22% общего количества диоксида и углерода. Остальное количество приходится на животный и растительный мир, каменный уголь, нефть и гумус.

В природных условиях происходят непрерывные процессы выделения и поглощения диоксида углерода. В атмосферу он выделяется за счёт дыхания человека и животных, процессов горения, гниения и брожения, при промышленном обжиге известняков и доломитов и т.д. Одновременно в природе идут процессы ассимиляции диоксида углерода, который поглощается растениями в процессе фотосинтеза.

Диоксид углерода играет большую роль в жизнедеятельности животных и человека, являясь физиологическим возбудителем дыхательного центра.

При вдыхании больших концентраций диоксида углерода происходит нарушение окислительно-восстановительных процессов в организме. При увеличении содержания его во вдыхаемом воздухе до 4% отмечаются головные боли, шум в ушах, сердцебиение, возбуждённое состояние; при 8% наступает смерть.

В гигиеническом отношении содержание диоксида углерода является важным показателем, по которому судят о степени чистоты воздуха в жилых и общественных зданиях. Скопление больших его количеств в воздухе закрытых помещений указывает на санитарное неблагополучие (скученность, плохая вентиляция).

В обычных условиях при естественной вентиляции помещения и инфильтрации наружного воздуха через поры строительных материалов содержание диоксида углерода в воздухе жилых помещений не превышает 0,2%. При повышении концентрации его в помещении могут отмечаться ухудшение самочувствия человека, снижение работоспособности. Это объясняется тем, что одновременно с увеличением количества диоксида углерода в воздухе жилых и общественных зданий ухудшаются другие свойства воздуха: повышаются его температура и влажность, появляются газообразные продукты жизнедеятельности человека, так называемые антропотоксины (меркаптан, индол, сероводород, аммиак).

С увеличением содержания СО₂ в воздухе и ухудшением метеорологических условий в жилых и общественных зданиях происходит изменение ионизационного режима воздуха (увеличение числа тяжёлых и уменьшение количества лёгких ионов), что объясняется поглощением лёгких ионов в процессе дыхания и контакта с кожей, а также поступлением тяжёлых ионов с выдыхаемым воздухом.

Предельно допустимой концентрацией диоксида углерода в воздухе лечебных учреждений следует считать 0,07%, в воздухе жилых и общественных зданий – 0,1%. Последняя величина принята в качестве расчётной при определении эффективности вентиляции в жилых и общественных зданиях.

4. Кроме основных составных частей, в атмосферном воздухе содержатся газы, выделяющиеся в результате естественных процессов, происходящих на поверхности Земли и в атмосфере.

Водород содержится в воздухе в количестве 0,00005%. Он образуется в высоких слоях атмосферы за счёт фотохимического разложения молекул воды на кислород и водород. Водород не поддерживает дыхание, в свободном состоянии он не усваивается и не выделяется биологическими объектами. Кроме водорода, в атмосферном воздухе содержится незначительное количество метана; обычно концентрация метана в воздухе не превышает 0, 00022%. Метан выделяется при анаэробном гниении органических соединений. Как составная часть входит в состав природного газа и газа нефтяных скважин. При вдыхании воздуха, содержащего метан в больших концентрациях возможно наступление смерти от асфиксии.

Как продукт разложения органических веществ в атмосферном воздухе присутствуют небольшие количества аммиака. Его концентрации зависят от степени загрязнения данной территории нечистотами и органическими выбросами. Зимой вследствие замедления процессов гниения концентрация аммиака несколько ниже, чем летом. При анаэробных процессах разложения серосодержащих органических веществ возможно образование сероводорода, который уже в малых концентрациях придаёт воздуху неприятный запах. В атмосферном воздухе могут находиться в небольших концентрациях йод и перекись водорода. Йод попадает в атмосферный воздух за счёт присутствия мельчайших капелек морской воды и морских водорослей. За счёт взаимодействия УФ-лучей с молекулами воздуха образуется перекись водорода; вместе с озоном она способствует окислению органических веществ в атмосфере.

В атмосферном воздухе находятся взвешенные вещества, которые представлены пылью естественного и искусственного происхождения. В состав природной пыли входит космическая, вулканическая, наземная, морская пыль и пыль, образующаяся при лесных пожарах.

Большую роль в освобождении атмосферы от взвешенных веществ играют естественные процессы самоочищения, среди которых существенное значение имеет разбавление загрязнений конвекционными потоками воздуха у поверхности Земли. Существенным элементом самоочищения атмосферы является выпадение из воздуха крупных частиц пыли и сажи (седиментация). С подъёмом на высоту количество пыли уменьшается; на высоте 7 – 8 км от поверхности Земли пыль земного происхождения отсутствует. Значительную роль в процессах самоочищения играют атмосферные осадки, увеличивающие количество осевшей сажи и пыли. На содержание пыли в атмосферном воздухе влияют метеорологические условия и дисперсность аэрозоля. Крупнодисперсная пыль с диаметром частиц более 10 мкм быстро выпадает, мелкодисперсная пыль с диаметром частиц менее 0,1 мкм практически не выпадает и находится во взвешенном состоянии.