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空气的组成和性质1. 空气的组成， 实验测定，干燥空气的平均组成如表1-3所示。且各组成部分之间的比例，在地球的任何地区几乎是恒定不变的。 表1-3干燥空气的组成 组成及符号 体积℅ 重量℅ 组成及符号 体积℅ 重量℅ 氧 o2 20.93 23.1 氪 Kr 1.80×10-4 3×10-4 氮 N2 78.03 75.06 氙 Xe 0.08×10-4 0.4×10-4 氩 Ar 0.932 1.286 氢 H2 0.5×10-4 0.036×10-4 二氧化碳CO2 0.03 0.046 氖 Ne (15~18)×10-4 12×10-4 臭氧 O3 (0.01~0.02)×10-4 0.2×10-4 氦 He (4.6~5.3)×10-4 0.7×10-4 氡 Rn 6×10-13 　 　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