La zemská atmosféra Skladá sa z rôznych typov chemických prvkov, ktoré tvoria plynný obal okolo planéty. Táto vrstva plynov umožňuje život, ako ho poznáme, pretože nás chráni pred poveternostnými vplyvmi. nepriateľské podmienky vesmíručo by bolo smrteľné pre živé bytosti.
Atmosférické plyny majú mimoriadny význam pre Vitalita ZemeExistuje veľa rôznych typov, ale je možné vypočítať, ktorý plyn je prítomný v väčší podiel a aký objem zaberá v porovnaní so zvyškom. Pochopenie tohto zloženia je kľúčom k pochopeniu javov, ako sú podnebie, Vodný Cyklus a ekologická rovnováha globálne.
Atmosféra obsahuje niekoľko plynov nevyhnutných pre udržanie života, ako napríklad dusík, argón a kyslíkktoré sa navyše nachádzajú v väčšia hojnosťExistujú však aj ďalšie zložky, ako napríklad oxid uhličitý, vodná para a stopy mnohých plynov, ktoré zohrávajú dôležitú úlohu, aj keď sú prítomné v malých množstvách.
Aká je atmosféra?
Atmosféra je sada plynov ktoré tvoria najmenej hustú a najvzdialenejšiu vrstvu planéty Zem. Relatívne zloženie týchto plynov sa líši v závislosti od výška, Pretože tlakov a teploty Menia sa s vaším výstupom. Hovorí sa, že časť najbližšie k povrchu je známa ako „ovzdušiaTáto zóna sa rozprestiera približne prvých 11 kilometrov nadmorskej výšky od hladiny mora (alebo oceánu), čo je oblasť, ktorá tvorí súčasť troposféra, kde sa sústreďuje väčšina vzduchu, ktorý dýchame, a kde sa vyvíja takmer všetko atmosférické počasie.
V týchto nižších vrstvách atmosféry sú hlavnými prítomnými plynmi dusík (N₂), s okolím 78% celkového objemu, po ktorom nasleduje kyslík (O₂)čo predstavuje približne 21%, A argón (Ar), s približne 0,93%Ďalej na stupnici hojnosti sa nachádzajú oxid uhličitý (CO₂), neon, Heliograf, metán, kryptón, vodík a iné stopové plyny, ako aj vodná para, ktorých podiel sa značne líši v závislosti od regiónu a klimatických podmienok.
Atmosféra má veľký ochranné vlastnosti tvárou v tvár hrozbám z vesmíru. Napríklad väčšina meteority Rozpadajú sa pri kontakte s hornými vrstvami plynu v dôsledku... trenie a k otepľovaniu. Okrem toho pôsobí ako druh escudo pred ultrafialové žiarenie pochádzajúce zo Slnka. Časť tohto žiarenia je absorbovaná ozón (O₃) prítomné v stratosfére a zabraňujú vážnemu poškodeniu tkanív ľudí, zvierat a rastlín.
Počas celej histórie Zeme sa atmosféra menila pretváranie kvôli aktivite rôznych druhov, ktoré ju obývali. Ľudia napríklad dýchajú kyslík a po výdychu vylúčia oxid uhličitýktorý rastliny využívajú počas fotosyntézy; rastliny následne uvoľňujú kyslík, čím uzatvárajú biogeochemický cyklus základná. Atmosféra tiež funguje v spojení s hydrosféra (vody planéty) pomáhajúce regulovať teplotu, čím sa vyhladzujú náhle zmeny, ktoré by mohli spôsobiť deň a noc alebo ročné obdobia.
Ďalšou dôležitou funkciou atmosféry je jej úloha v Vodný CyklusVodná para sa vyparuje z oceánov, riek, jazier a pôdy, stúpa nahor, kondenzuje do oblakov a nakoniec padá ako dážď. zrážkyTento proces udržiava ekosystémy, dopĺňa vodonosné vrstvy a umožňuje rozmanité podnebie na celej planéte.
Hlavné plyny v atmosfére
Ako už bolo spomenuté, atmosféra sa skladá z rôznych druhov plynov, z ktorých niektoré zaberajú viac priestoru než iné. Nižšie je uvedený zoradený zoznam týchto plynov podľa ich hojnosť, spolu s podrobnejším vysvetlením jeho funkcie a významu v rámci zemského systému.
Dusík
Dusík je najrozšírenejší plyn atmosféry, keďže tvorí približne 78% celého svojho objemu. Je to chemický prvok znázornené písmenom N, pričom atómové číslo 7 y približná atómová hmotnosť 14,01Pri izbovej teplote sa nachádza prevažne vo forme dvojatómovej molekuly. N₂čo je plyn bezfarebný, bez zápachu e bez chuti.
Molekulárny dusík má trojitá kovalentná väzba (N≡N), jedna z najsilnejších známych väzieb v chémii. Táto vlastnosť jej dáva veľká stabilita a robí to relatívne inertný Za normálnych podmienok dusík ľahko nereaguje s inými prvkami. Vzhľadom na túto stabilitu si dusík často vyžaduje špecifické podmienky na reakciu a tvorbu zlúčenín. špeciálne podmienky, ako sú vysoké teploty, vysoké tlaky alebo prítomnosť katalyzátory.
Hoci je atmosférický dusík taký hojný, väčšina organizmov ho nedokáže priamo využiť vo forme N₂. Tento prvok je však nevyhnutné pre životje súčasťou aminokyselinyz proteíny a nukleové kyseliny ako napríklad DNA a RNA, ktoré obsahujú genetickú informáciu všetkých živých organizmov.
Kyslík
Kyslík zaberá Segundo Lugar medzi najrozšírenejšie plyny v atmosfére, keďže predstavuje približne 21% toho istého. Jej Atómové číslo je 8, väčšia ako dusík a je znázornená písmenom OVo svojej dvojatómovej forme (O₂) je to plyn, ktorý udržiava život väčšiny suchozemských aeróbnych organizmov.
Je veľmi silné oxidačné činidlo a vlastní jeden z vyššie elektronegativity zo všetkých chemických prvkov, čo znamená, že pri tvorbe väzieb silne priťahuje elektróny. Kyslík je nevyhnutný pre procesy bunkové dýchanie, v ktorom živé organizmy získavajú energiu zo živín. Je tiež súčasťou molekúl ADN, veľa enzýmy a širokú škálu organických a anorganických zlúčenín.
V atmosfére sa nachádza aj špeciálna forma kyslíka, tzv. ozón (O₃), sústredené najmä v ozónovej vrstvy stratosféry. Tento trojatómový tvar je kľúčový, pretože absorbuje a odráža veľkú časť vysokoenergetického ultrafialového žiarenia, čím chráni zemský povrch pred vážnym biologickým poškodením.
argón
Argón tvorí približne 0,93% všetkého atmosférického vzduchu. Jeho názov pochádza z gréčtiny, kde sa píše Argusčo to znamená "nečinný"Pretože je to plyn, ktorý sotva reaguje s inými chemickými prvkami, je klasifikovaný ako vzácny plyn, je reprezentované písmenami Ar a vlastní atómové číslo 18Je to plyn bezfarebný, bez zápachu a chemicky veľmi inertný.
Jeho chemická inertnosť ho robí veľmi užitočným v mnohých... technologické aplikáciePoužíva sa napríklad v žiarovkách na zabránenie oxidácii vlákna chrániť zvary proti kontaktu s kyslíkom vo vzduchu, ako izolačný plyn v dvojité zasklenie (okná s dvoma sklenenými panelmi) a ako inertná atmosféra v procesoch, kde je potrebné vyhnúť sa nežiaducim reakciám.
Hoci sa argón považuje za jednoduchý dusivý (pretože môže v uzavretých priestoroch vytlačiť kyslík, ak je prítomný vo vysokých koncentráciách), sám o sebe nie je toxický. Hlavným opatrením je vždy zabezpečiť dostatočné vetranie pri manipulácii v stiesnených prostrediach.
Tieto tri sú hlavnými plynmi, ktoré tvoria atmosféru, nasledujú ďalšie v menších podieloch, ako napríklad oxid uhličitý (CO₂), neon, Heliograf, metán, kryptón a vodíkObjavujú sa aj veľmi malé množstvá zlúčenín, ako napr. oxid dusný alebo oxid uhoľnatý, medzi mnohými ďalšími stopovými plynmi.
Ďalšie bežné plyny a prvky atmosféry
Dusík, kyslík a argón sú tri najrozšírenejšie plyny v atmosfére, ale existujú aj ďalšie zložky, ktoré aj keď sú prítomné v nízke koncentrácie, ukážu sa nevyhnutný na udržanie života a klímy planéty.
Jedným z nich je oxid uhličitý (CO₂)Hoci tvorí len približne 0,04% zemskej atmosféry (približne 410 ppm a s nedávnymi zmenami v dôsledku ľudskej činnosti) je kľúčovou zložkou fotosyntéza a v iných metabolických procesoch. Rastliny a iné autotrofné organizmy používajú CO₂ na premenu solárnej energie en chemická energia použiteľné.
El vodná para (H₂O) Je to ďalšia dôležitá zložka. Hoci sa jej podiel líši (môže sa pohybovať od takmer nuly až po niekoľko percentuálnych bodov), je základom tvorba oblakovzrážky a poveternostné javy. Okrem toho pôsobí ako skleníkový plynpomáha udržiavať priemernú teplotu planéty v rozmedzí zlučiteľnom so životom.
Nájdeme tiež ozón (O₃) v malých, ale kľúčových koncentráciách. V stratosfére tvorí ozón ochranná vrstva ktorý absorbuje veľkú časť vysokoenergetického ultrafialového žiarenia. Naproti tomu na úrovni zeme sa ozón môže stať znečisťujúce škodlivé pre zdravie dýchacích ciest.
Približné (a variabilné) zastúpenia stopových plynov sú: neon ~18 ppm (0,0018 %), Heliograf ~5,2 ppm (0,00052 %), metán ~1,8 – 1,9 ppm (0,00018 – 0,00019 %), kryptón ~1,1 ppm (0,00011 %) a vodík ~0,55 ppm (0,000055 %). Tieto čísla sú približné a môžu sa mierne líšiť v závislosti od meraní a času, ale slúžia na znázornenie, o koľko menej sú tieto plyny zastúpené v porovnaní s dusíkom alebo kyslíkom.
Iné plyny, ako napr. metán (CH₄), oxid dusný (N₂O) a rôznorodé prchavé organické zlúčeniny Sú tiež súčasťou atmosféry. Hoci je ich koncentrácia veľmi malá, majú badateľný vplyv na radiačná bilancia planéty a v atmosférická chémia, a preto sa považujú za skleníkové plyny veľmi dôležité.
Aký je najhojnejší plyn v zemskej atmosfére?
El dusík Je to najhojnejší plyn v zemskej atmosfére, ktorý tvorí približne tri štvrtiny jej celkového objemu. Táto masívna prítomnosť robí z dusíka kľúčovú zložku. nepostrádateľný pre globálnu rovnováhu planéty. Hoci priamo nezasahuje do dýchania ako kyslík, jeho úloha v biológiev priemysel a prirodzené cykly je to rozhodujúce.
Dusík v atmosfére je hlavná rezerva tohto prvku pre biosféru. Hoci rastliny a zvieratá nemôžu priamo využívať N₂, rôzne prírodné procesy, ako napríklad cyklus dusíkaUmožňujú jeho transformáciu do chemických foriem, ktoré môžu byť využité živými bytosťami, čím sa zabezpečuje jeho prítomnosť v bielkovinách, nukleových kyselinách a iných základných zlúčeninách.
Keďže dusík je najrozšírenejším plynom v zemskej atmosfére, je nevyhnutný pre uživenie životaStojí za to hlbšie sa ponoriť do jeho charakteristík, pôvodu, prírodného cyklu a jeho aplikácie v každodennom živote aj v modernom priemysle.
etymológia
Názov „dusík“ pochádza z latinčiny „Dutrium“, súvisiace s myšlienkou „spúšť“ alebo „gény“. Tento termín mu dal lekár a chemik Daniel Rutherfordktorý sa prostredníctvom experimentu v roku 1772 podarilo absorbovať kyslík a oxid uhličitý obsiahnutý vo vzorke vzduchu, pričom ako zvyškový prvok zostal dusík. Hoci sa formálny objav pripisuje Rutherfordovi, existujú náznaky, že alchymisti stredoveku Ako je vidieť z niektorých starovekých spisov, už vo svojich experimentoch používali zlúčeniny dusíka.
Dusík sa dá získať z atmosféry skvapalňovanie vzduchu A neskôr frakčná destiláciaKeďže atmosféra je prakticky rezervoárom nevyčerpateľný Tieto procesy umožňujú efektívnu dostupnosť veľkého množstva dusíka, a to ako v plynnej forme, tak aj vo forme tekutý dusík, s viacerými technickými a priemyselnými využitími.
Fyzikálne a chemické vlastnosti dusíka
Pri izbovej teplote je dusík dvojatómový plyn (N₂) bezfarebný, bez zápachu e bez chuti. Predstavuje a veľmi nízky bod varu (okolo -195,8 °C) a bod topenia blízko -210 °C. Tieto kryogénne vlastnosti umožňujú jeho široké použitie v kvapalnej forme ako osviežujúci v mnohých aplikáciách.
Chemicky je molekulárny dusík extrémne stabilný kvôli trojitej väzbe N≡N. Táto stabilita znamená, že za normálnych podmienok je nie veľmi reaktívnyTo si vyžaduje vysoké teploty, elektrické výboje alebo špecifické katalyzátory, ktoré prerušia väzbu a umožnia tvorbu nových zlúčenín. Po aktivácii však dusík môže viesť k vzniku širokej škály látok, z ktorých mnohé majú významný biologický a priemyselný význam.
Pokiaľ ide o jeho elektronickú štruktúru, dusík má konfigurácia 1s² 2s² 2p³ s piatimi elektrónmi v valenčná škrupinaTo umožňuje jeho vytvorenie až tri kovalentné väzby s inými atómami, čo vysvetľuje jeho ústrednú úlohu pri tvorbe zlúčenín, ako sú aminokyselinyamíny, nitrily a mnoho ďalších funkčných skupín v organickej a anorganickej chémii.
Prirodzený cyklus
Hovor cyklus dusíka Ide o biogeochemický proces, prostredníctvom ktorého tento prvok cirkuluje medzi atmosférou, pôdou, vodou a živými organizmami. baktérie viažuce dusík Zohrávajú dôležitú úlohu pri premene atmosférického N₂, ktorý je inertný, na chemické formy, ako napríklad amónny (NH₄⁺) a dusičnany (NO₃⁻)ktoré môžu rastliny absorbovať.
Rastliny využívajú tieto zlúčeniny dusíka na rásť, pestovať a rozvíjať ich tkanivá. Slúžia ako potrava pre bylinožravé zvieratáDusík potom vstupuje do potravinového reťazca. Tieto zvieratá sú následne konzumované mäsožravce y všežravcerozširovanie prítomnosti dusíka v celom ekosystéme. Organický odpad (výkaly, moč, zvyšky uhynutých rastlín a živočíchov) je rozkladaný baktériami a inými mikroorganizmami, ktoré tieto zlúčeniny premieňajú späť na amónny a iné látky.
Nakoniec, ďalšie pôdne baktérie vykonávajú denitrifikácia, proces, pri ktorom sa dusičnany premieňajú na dvojdusík (N₂) a vracia sa do atmosféry. Týmto spôsobom sa cyklus dusíka uzatvára, čo zaručuje nepretržitý obeh tohto prvku medzi rôznymi časťami planéty.
Použitie dusíka
Dusík sa v priemysle hojne používa na výrobu amoniak (NH₃) Cez Haber-Boschov procesPri výrobe amoniaku sa atmosférický dusík spája s vodíkom pri vysokom tlaku a teplote v prítomnosti katalyzátorov. Takto získaný amoniak je základom pre výrobu väčšiny produktov. dusíkaté hnojivázáklad pre moderné poľnohospodárstvo a pre udržanie veľkovýroby potravín.
V každodennom živote sa amoniak a jeho deriváty nachádzajú v širokej škále produktov: od čistiace prostriedky pre domácnosť dokonca aj priemyselné prísady. Dusík sa podieľa aj na výrobe látok, ako sú plastickýsyntetické živice a iné materiály, ktoré sú súčasťou nespočetného množstva predmetov každodennej potreby.
El tekutý dusík Je široko používaný v chladiace a kryogénne aplikácieVďaka veľmi nízkemu bodu varu sa používa na konzervovanie a skladovanie potravín. biologické vzorky (ako sú bunky, tkanivá alebo spermie), vykonávať lekárske zákroky, ako napríklad kryoterapia a v mnohých priemyselných procesoch, kde je potrebné udržiavať extrémne nízke teploty. Je však dôležité s ním zaobchádzať opatrne. veľká opatrnosťpretože priamy kontakt s ním môže spôsobiť veľmi vážne popáleniny chladom (niekedy hovorovo opisované ako „pálenie“ alebo „topenie“ pokožky), omrzliny alebo udusenie, ak vytláča kyslík v uzavretých priestoroch.
Dusík sa používa aj ako inertná atmosféra v mnohých priemyselných procesoch. Napríklad sa zavádza do nádrží, potrubí alebo kontajnerov, kde je potrebné vytlačiť kyslík, aby sa zabránilo oxidácie, výbuchy alebo nežiaducich reakcií. V potravinárskom priemysle sa dusík používa na baliace výrobky a predlžuje jeho trvanlivosť, pretože znižuje oxidačné znehodnotenie potravín.
Okrem svojej úlohy pri výrobe amoniaku a iných dusíkatých zlúčenín sa dusík podieľa na tvorbe a premene iných plynov. Napríklad metán Môže vznikať biologickými procesmi (mikrobiálna metanogenéza) alebo priemyselnými chemickými reakciami, ako je Sabatierova reakcia (redukcia CO₂ pomocou H₂ za vzniku CH₄ a H₂O). Tieto dráhy čiastočne vysvetľujú prítomnosť a pôvod určitých atmosférických plynov v rôznych kontextoch.
Po druhé, dusík sa používa na výrobu ďalších dôležitých zlúčenín, ako sú určité oxidy dusíka (NOx), kyselina dusičná (HNO₃) a množstvo látok zapojených do výroby výbušniny, farbivá, lieky a vysokoúčinné hnojivá. Tieto priemyselné a chemické využitia demonštrujú dôležitosť dusíka nad rámec jeho samotnej prítomnosti vo vzduchu.
Účinky dusíka na zdravie
Dusík, ktorý sa nachádza vo vzduchu, ktorý dýchame (N₂), je v zásade netoxický a plní funkciu riedenia kyslíka, čím zabraňuje jeho prílišnej koncentrácii a spôsobovaniu nadmerných oxidačných reakcií v tele. Avšak, nepriama spotreba Dusíkaté zlúčeniny z hnojív, spracovaných potravín alebo produktov odvodených od dusíka môžu mať určité účinky na Ľudské zdravie.
Vzhľadom na rozsiahle používanie dusíkaté hnojivá v poľnohospodárstve a prítomnosť dusíkatých látok v plastický, prídavné látky v potravinách a iných produktov, ľudia môžu byť vystavení formám dusíka, ktoré nie sú také neškodné ako atmosférický N₂. Najmä niektoré zlúčeniny, ako napríklad dusitany y dusičnany, ako aj nitrozamíny ktoré sa z nich dajú vytvoriť, boli predmetom štúdia kvôli ich možným negatívnym účinkom.
Niektoré z účinkov môžu byť nasledujúce:
- Spôsobuje to nízka úroveň úložiska v tele Vitamín A keď sa určité zlúčeniny dusíka konzumujú v nadmernom množstve.
- Môže to spôsobiť znížený transport kyslíka v krvi, najmä ak sa látky ako methemoglobín z dusitanov.
- Zrýchliť výrobu nitrozamínyktoré sa považujú za jednu z hlavných zložiek súvisiacich s rôzne druhy rakovinynajmä ak sú dusitany za určitých podmienok kombinované s organickými zlúčeninami.
- Je to určujúci faktor pre určité zmeny funkcie štítnej žľazy keď je vystavenie dusičnanom a iným zlúčeninám vysoké a dlhodobé.
Okrem týchto nepriamych chemických účinkov je dôležité mať na pamäti, že dusík vo forme N₂, hoci nie je toxický, môže pôsobiť ako jednoduchý dusivý plyn ak vytláča kyslík v uzavretom priestore. V priemyselnom prostredí, kde sa na vytvorenie inertnej atmosféry používa čistý dusík, môže nedostatok kyslíka viesť k hypoxia a stratu vedomia, ak sa neprijmú vhodné bezpečnostné opatrenia.
Pochopenie toho, že atmosfére dominuje dusík, nasledované kyslík, argón a iných plynov v menších množstvách, umožňuje lepšie pochopiť, ako sú udržiavané život, podnebie a biogeochemické cykly planéty. Úloha dusíka ako najrozšírenejšieho plynu siaha od základnej chémie a molekulárnej biológie až po priemysel, poľnohospodárstvo a verejné zdravie, čím sa stáva jedným z najdôležitejších prvkov pre fungovanie Zeme.