Vzduch a jeho fyzikální a chemické vlastnosti

Vzduch

1. Atmosféra a vzduch jako zdroj surovin

2. Co o vzduchu vím? Co bych se o vzduchu chtěl/a dozvědět ?

3. Bingo Nakreslete si tabulku 3 x 3 čtverečky Do všech políček vepište libovolně pojmy z nabídky FILTRY VZDUCHU KYSLÍK OXID UHLIČITÝ AERODYNAMIKA SMOG VENTILACE TLAK VZDUCHU ZNEČISTĚNÍ VZDUCHU DUSÍK BAROMETR TEPLOTNÍ INVERZE TROPOSFÉRA

4. Stavba atmosféry - atmosféra = plynný obal Země

5. Troposféra na  různých místech Země sahá do různé výšky : v rovníkových oblastech do 16 – 18 km v oblastech mírného pásu do 10 – 12 km nad póly jen do 7 – 9 km v  troposféře jsou téměř ¾ z celkové hmotnosti atmosféry měrná tepelná kapacita vzduchu je 1 003 J.kg-1.K-1 a hustota je 1,29 kg/m3 tlak vzduchu (atmosférický tlak) – 1 m3 vzduchu v přízemní vrstvě – 1,29 kg, působí na všechna tělesa, udává se v hPa ( 1 013 hPa ) je zde obsažena prakticky všechna atmosférická voda probíhají zde téměř veškeré děje označované jako počasí

6. Troposféra S rostoucí nadmořskou výškou: teplota vzduchu klesá - (průměrně 0,65 °C na 100 m), inverze – vyjímka ! c elkový tlak vzduchu klesá (mění se procentuální zastoupení jednotlivých plynů, ubývá těžších a přibývá lehčích) procentuální obsah kyslíku klesá

7. Stratosféra v horní části stratosféry roste teplota vzduchu v průměru o 0,03 °C na 100 m poblíž horní hranice je teplota až 0 °C, to je způsobeno zvýšenou koncentrací ozonu, který pohlcuje ultrafialové záření a tím se zahřívá vrstvu s velkou koncentrací ozonu označujeme jako ozonosféra

8. Význam atmosféry Udržuje stálou teplotu na povrchu planety Vzduch na povrchu Země díky svému relativně velkému množství a relativně vysokému tlaku (ve srovnání např. s Marsem nebo s Měsícem) a díky obsahu vody způsobuje, že změny teploty na povrchu planety jsou poměrně malé (jedná se o tlumení teplotních změn např. mezi dnem a nocí, mezi létem a zimou, mezi různými místy na planetě) Význam atmosféry pro transport vody Díky atmosférickým jevům dochází k transportu vodních par z oblastí moří a oceánů na pevninu v podstatě jediný způsob, kterým se voda dostává na pevninu a do půdy, kde se jednak sama stává jednou ze základních složek metabolismu rostlin a živočichů, jednak rozpouští minerální látky a tak umožňuje vstup řady biogenních prvků do organismů - koloběh vody 

9. Význam atmosféry Atmosféra jako zásobárna a transportní prostředí některých biogenních prvků Kyslík  do organismu vstřebává v plynném skupenství přímo z atmosféry (při dýchání) Uhlík  zpracovávají rostliny ve formě atmosférického oxidu uhličitého. Při fotosyntéze je měněn na glukózu a pak na složitější organické látky, které jsou potravou pro další organismy. Jiný způsob tvorby živin příroda (kromě nepodstatných výjimek) nemá. Pokud by atmosféra neobsahovala oxid uhličitý, přestala by probíhat fotosyntéza, vyhynuly by rostliny a s nimi téměř veškerý život na Zemi. Dusík  (jako nezbytná složka bílkovin a nukleových kyselin) se do rostlin vstřebává v podobě iontů dusitanových, dusičnanových a v podobě amoniaku. V atmosféře je sice mnoho dusíku, ale ve formě molekul N2, které rostliny nedokáží zpracovat. Dusík se na potřebné látky se mění dvěma způsoby: Blesky při bouřce umožňují reakci atmosférického dusíku s atmosférickým kyslíkem za vzniku oxidů dusíku, které se pak mohou měnit až na dusičnan Kromě toho existují i mikroorganismy schopné vázat atmosférický dusík a měnit jej na amoniak, který se pak dále může měnit na dusitany až dusičnany

10. Význam atmosféry Atmosféra jako ochrana před kosmickým zářením Ve vesmíru (např. na Slunci) probíhá řada dějů, jejichž produktem jsou i malé rychle se pohybující, často elektricky nabité částice, případně vysokoenergenické elektromagnetické záření (např. UV-záření, γ-záření) - kosmické záření Toto záření má velkou energii a může proto štěpit vazby v organických látkách. Kdyby dopadalo na povrch Země, poškozovalo by biologicky významné molekuly (bílkoviny, nukleové kyseliny) a s nimi i celé organismy (nádorové bujení, mutace, poškození plodu, potraty,...). atmosféra většinu kosmického záření pohlcuje

11. Význam atmosféry Ozonová vrstva – ochrana před UV-zářením , ozonová díra Stratosférický ozon - ochrana před kosmickým zářením, pohlcuje UV-záření Zeslabení vrstvy ozonu (v některých místech velmi velké zeslabení) - ozonová díra Chemické reakce vyvolané lidskou průmyslovou činností a vedoucí k rozpadu stratosférického ozonu není lidstvo schopno zastavit Samo neuvolňování škodlivin do atmosféry nestačí Jeden atom chloru, který se díky freonům zapojil do systému řetězových reakcí rozkládajících stratosférický ozon, je schopen působit mnoho let a rozložit až 100 000 molekul ozonu Přízemní – „troposférický“ ozon - vzniká např. působením blesku, ale i v důsledku lidské průmyslové činnosti, má baktericidní účinky (využívá se k desinfekci), ve větších koncentrací je však zdraví škodlivý. Je jednou ze složek smogu Před vznikem života na Zemi zemská atmosféra kyslík (a tedy ani ozon) neobsahovala. Kosmické záření tedy mohlo snadno dopadat na povrch planety a vyvolávat chemické reakce. To mohlo mít důležitou úlohu právě při vzniku života, kdy musela být „náhodně“ uskutečněna obrovská řada nejrůznějších chemických reakcí, až některá(é) z nich vedla(y) ke vzniku organické hmoty, která snad později umožnila vznik živých organismů.

12. Význam atmosféry Atmosféra jako smetiště Dlouhou dobu lidé pokládali atmosféru za nevyčerpatelné smetiště. Nebezpečné plyny vzniklé při chemických dějích se prostě vyvedly z továrny komínem dostatečně vysoko, aby se „rozešly“ v okolí a nepoškodily obyvatele bezprostředního okolí továrny. Tyto látky, které se v přírodě před zahájením průmyslové činnosti člověka nevyskytovaly, evolucí nezískaly přirozené „rozkladače“, takže: v atmosféře buď zůstávají a z ní se při dýchání dostávají do organismů a poškozují je, případně zvyšují sekundární skleníkový efekt nebo se po případných chemických přeměnách rozpouštějí ve vodě a ve formě deště se dostávají do půdy, jejíž vlastnosti tím mění  nebo se přesouvají do vyšších vrstev atmosféry, kde se zapojují do chemických dějů vyvolaných UV-zářením nebo kosmickým zářením a o jejichž podstatě a důsledcích víme velmi málo  .

13. Význam atmosféry Zdroj surovin pro lidskou činnost, hlavně pro průmyslové využití

14. Složení vzduchu Plynná složka: 78 % dusík 21 % kyslík 1 % vzácné plyny (argon, neon) + oxid uhličitý (0,03 %) vodní pára oxidy dusíku, oxid siřičitý, ozón

15. Složení vzduchu Kapalná složka voda – kapky vody v atmosféře Pevná složka prach ( 17 milionů tun prachu) – nejrůznějšího původu přírodní původ - popílek v atmosféře po výbuchu sopky či pádu meteoritu, písek při písečné bouři,…. Látky vzniklé č inností člověka (průmyslová, válečná) - složky smogu, organické látky s obsahem těžkých kovů – Pb , Cd, radioaktivní izotopy vynesené do atmosféry jako důsledek válečného použití či zkoušek jaderných zbraní nebo jako důsledek havárií jaderných reaktorů, plyny uniklé při nehodách v chemickém průmyslu,.. mikroorganismy pyl

16. Dusík Základní prvek života na Zemi, důležitý stavební prvek různých typů organických molekul, např. bílkovin a nukleových kyselin V přírodě se vyskytuje v molekulární formě – N2 Bezbarvý plyn, bez zápachu, není jedovatý Při – 195, 79 stupních Celsia kondenzuje na bezbarvou kapalinu Nehoří, dusí plamen Inertní plyn (za běžných podmínek) -  nepodléhá chemickým reakcím s jinými molekulami Hustota srovnatelná s kyslíkem (menší než vzduch) Rozpustnost ve vodě oproti kyslíku poloviční N 2

17. Dusík Výroba • 95 % - frakční destilace vzduchu • 5 % - koksárenské plyny Použití: • 60 % - při výrobě amoniaku • 15 % - metalurgie – ochrana materiálů (např. svařování) • 10 % - potravinářský průmysl • 15 % - chladící médium (kapalná forma)

18. Kyslík za normálních podmínek bezbarvý, dvouatomový plyn velmi reaktivní prvek a přímo se slučuje téměř se všemi prvky (s halogeny reaguje neochotně) při teplotě – 182,96 stupních Celsia kondenzuje na bledě modrou kapalinu nehoří, ale podporuje hoření má větší hustotu než vzduch O 2

19. Kyslík Výroba • 97 % - frakční destilace vzduchu • 3 % - elektrolýza vody Použití: • 67 % - oxidační procesy • 30 % - řezání a svařování kovů • 3 % - medicinální kyslík ve zdravotnictví

20. Vzácné plyny He, Ne, Ar, Kr , Xe , Rn úplně obsazená valenční elektronová vrstva, těžko přijímají a ztrácí valenční elektron → nevytváří dvouatomové molekuly výskyt: ve vzduchu (nejvíce argon), He nejrozšířenější ve vesmíru získávají se ze vzduchu frakční destilací plyny, bez barvy a zápachu inertní plyny (netečné = nereaktivní)

21. Vzácné plyny

22. Oxid uhličitý • nedýchatelný plyn, těžší než vzduch (≈1,56 kg/m3) • v koncentracích nad 9 % je dusivý, nad 20 % způsobuje náhlý kolaps a smrt • má poměrně vysokou teplotu varu (-57 °C za 500 kPa ), za nižšího tlaku neexistuje kapalný a přechází rovnou z pevného do plynného skupenství – sublimuje • v tlakových lahvích se skladuje kapalný Zdroje: • rozklad CaCO3 • odplyn z vypírky CO2 po konverzi CO • kvasné procesy Použití: • výroba močoviny • stojírenství (inertní atmosféra) • potravinářský průmysl (inertní atmosféra, výroba šumivých nápojů) • chladivo (pevný CO2 -suchý led) • hasivo – pěnové, sněhové hasicí přístroje – zabraňuje přívodu kyslíku, chladí

23. https://faktaoklimatu.cz/infografiky/cykly-koncentrace-co2

24. Kapalný vzduch vyrábí se zkapalňováním atmosférického vzduchu • pro zkapalnění je využívána kombinace postupného stlačování a ochlazování •před zkapalněním je třeba odstranit prach, vodu a CO2 , při výrobních teplotách a tlacích by voda a CO2 existovaly ve formě krystalů a mechanicky by narušovaly výrobu Před zkapalněním se vzduch nejprve zbavuje nežádoucích složek, např. vodní páry, oxidu uhličitého a prachových částic. Další nežádoucí složky by při výrobních teplotách a tlacích existovaly jako pevné látky (krystalky) a znemožňovaly by výrobní proces (např. by mohlo dojít k ucpání ventilů). zkapalnění a destilace vzduchu

25. Postup zkapalnění vzduchu Vysokotlaký Lindeho způsob: Filtrace - proháněním přes filtr se vzduch zbaví prachových částic Odstranění oxidu uhličitého - průchodem přes komoru s hydroxidem sodným se odstraní oxid uhličitý Odstranění vodní páry - za použití vysoušecí látky je ze vzduchu odstraněna vodní pára - vzduch se stlačí, čímž vzroste jeho teplota a následně ochladí  vhodným chladicím médiem v chladiči - nechá se prudce expandovat přes škrticí ventil do expanzní nádoby, čímž dojde u většiny plynů k poklesu teploty (dle Joule-Thomsonova jevu) - další expanzí dojde k dalšímu poklesu teploty a zkapalnění vzduchu

26. Oddělení kyslíku a dusíku Využívá se frakční destilace - rozdělení složek na základě jejich rozdílné teploty varu – dvě dělící kolony  a) dolní – vysokotlaká kolona podmínky: tlak 0,5 Mpa teplota ve spodní části -175 °C teplota ve vrchní části kolony -179 °C - kapalný vzduch je přiváděn do spodní části kolony - dusík obsažený ve vzduchu vře za vyššího tlaku při vyšší teplotě (-175 °C), než je jeho teplota varu za normálního tlaku (-196 °C) - páry dusíku se shromažďují ve vrchní části kolony - po ochlazení par v horní části kolony klesá dolů kapalina ochuzená o část dusíku - páry bohaté na dusík se odvádějí do vrchní části horní kolony

27. Vlastnosti vzduchu a jejich význam v technologických procesech Vlastnost vzduchu Vysvětlení Příklad využití Stlačitelnost Rozpínavost Tlak Tepelná izolace

28. Vlastnosti vzduchu a jejich význam v technologických procesech Vlastnost vzduchu Příklady využití Stlačitelnost Vzduch lze stlačit do menšího objemu, využití v pneumatických systémech Rozpínavost Stlačený vzduch se rozpíná, koná práci Tlak Vzduch působí tlakem na stěny nádoby, změny tlaku ohýbají plech Tepelná izolace Vzduchová mezera izoluje proti chladu vody

29. Vzduch v technice Získávání energie pomocí vzduchu Spalování fosilních paliv Vzduch v pneumatikách motorových vozidel Spalovací motory potřebují vzduch Získávání kovů Vzduch v úpravně odpadní vody Další využití: Tvarování skla Dojicí zařízení Sušení obilí a krmiva Pneumatická kladiva a vrtačky (stavba silnic, hornictví) Větrné elektrárny ………