Vzduch okolo nás

Atmosféra

Našu Zem obklopuje mohutná vrstva vzduchu zvaná atmosféra, siahajúca do výšky niekoľkých tisíc kilometrov nad zemským povrchom. Zloženie atmosféry je závislé od výšky nad zemským povrchom. Pre náš život je dôležitá najnižšia vrstva atmosféry zvaná troposféra, ktorá zasahuje zhruba do výšky 7 km nad zemským povrchom a jej zloženie. Troposféra je najhustejšia časť atmosféry. S narastajúcou výškou nad zemským povrchom hustota atmosféry klesá. Hustota suchého vzduchu pri povrchu zeme a pri 20 °C je 1,2047 , čo zodpovedá hmotnosti 1,2 g na jeden liter vzduchu. Pôsobením ťahovej sily Zeme sú všetky častice atmosféry stále priťahované k povrchu Zeme, čím je celá atmosféra pripútaná k Zemi. Výsledkom tohto pôsobenia je atmosférická tlaková sila.

Atmosférická tlaková sila

Atmosférická tlaková sila pôsobí na celý povrch Zeme a na všetky pozemská telesá, teda aj na nás. Ak sa atmosférická tlaková sila zmenší, dôjde k rozpínaniu pružných telies, ktoré obsahujú plyn. Ak sa naopak atmosférická tlaková sila zväčší, dôjde k deformácii a zmenšeniu objemu pružných telies, ktoré obsahujú plyn. Tento jav môžeme demonštrovať injekčnou striekačkou, do ktorej vložíme bonbón typu maršmelou (Obrázok 6). Injekčnú striekačku uzavrieme piestom, ktorý necháme v hornej polohe a jej ústie uzavrieme palcom. Pri stláčaní piestu vzniká vnútri injekčnej striekačky vyšší tlak ako je tlak atmosférický a dochádza k tlakovej deformácii bonbónu a zmenšeniu jeho objemu. Ukážka vplyvu nižšieho tlaku je obdobná. Injekčnú striekačku uzavrieme piestom, ktorý posunieme čo najbližšie k bonbónu, ale tak, aby nedošlo k jeho deformácii. Ústie uzavrieme palcom. Pri dvíhaní piesta vzniká vnútri injekčnej striekačky nižší tlak (podtlak) ako je tlak atmosférický a dochádza k rozpínaniu plynu vnútri bonbónu a tým k zväčšeniu jeho objemu. Troposféra obsahuje približne 78 % dusíka (N₂), 21 % kyslíka (O₂), 0,9 % argónu (Ar), 0,03 % oxidu uhličitého (CO₂) a ďalšie plyny.

Kyslík

Kyslík (chemická značka O, latinský názov Oxygenium) je plynný prvok, ktorý tvorí druhú najväčšiu časť zemskej atmosféry. Kyslík je bezfarebný plyn bez chuti a zápachu, ktorý vzniká ako koncový produkt fotosyntézy rastlín. Vo vzduchu sa kyslík vyskytuje ako dvojatómová molekula O₂, alebo ako trojatómová molekula O₃, ktorá je označovaná ako ozón. Kyslík je biogénny prvok, jeho prítomnosť je nevyhnutná pre existenciu väčšiny živých organizmov na našej planéte. Kyslík sa rozpúšťa vo vode a pôsobí ako silné oxidačné činidlo.

Kyslík a horenie (pokus)

Nutnosť kyslíka pri horení, a tým aj samotný dôkaz kyslíka vykonáme jednoduchým pokusom. Budeme potrebovať kadičku alebo pohárik, čajovou sviečku, zápalky, misku alebo tanier a vodu z vodovodu. Tanier naplníme vodou a položíme do neho zapálenú sviečku. Parafín, z ktorého je sviečka vyrobená, má menšiu hustotu ako voda, preto keď položíme opatrne sviečku na hladinu vody, nepotopí sa. Po priklopení sviečky kadičkou alebo pohárikom vidíme, že hladina vody vnútri kadičky je nižšie, než je voľná hladina vody v tanieri.Plameň sviečky zohrieva vzduch vnútri kadičky a ten sa rozpína. Môžeme pozorovať, že z kadičky unikajú bubliny vzduchu. Pri horení parafínu dochádza k spotrebe kyslíka, ktorý bol obsiahnutý v kadičke. Keď je všetok kyslík spotrebovaný, plameň zhasne. Zároveň dôjde k ochladeniu zohriateho vzduchu. Studený vzduch má väčšiu hustotu než vzduch teplý, a preto sa začne zmenšovať jeho objem, a tým dôjde k nasatiu vody z taniera do kadičky. Na konci pokusu je hladina vody v kadičke nad úrovňou voľnej hladiny vody v tanieri. Zamedzenie prístupu kyslíka k horiacim predmetom sa využíva pri hasení požiarov.

Oxid uhličitý

Oxid uhličitý (chemická značka CO2) je plynná molekula, ktorá vznikne zlúčením jedného atómu uhlíka a dvoch atómov kyslíka. Oxid uhličitý je bezfarebný plyn bez chuti a zápachu. Vzniká ako koncový produkt dýchania živočíchov. Do atmosféry sa taktiež dostáva ako plyn, ktorý vzniká spaľovaním uhlia, dreva a ďalších organických látok a pri kvasení.

Oxid uhličitý je nehorľavý plyn a má väčšiu hustotu než vzduch, a preto zostáva pri zemi. Tejto vlastnosti oxidu uhličitého sú si dobre vedomí výrobcovia vína. Vinári v miestnosti, v ktorej kvasí víno, a to napr. pri výrobe burčiaka, majú zapálenú sviečku, ktorú umiestnia do menšej výšky, ako v ktorej dýchajú. Keď sviečka zhasne, upozorní ich, že koncentrácia oxidu uhličitého je príliš vysoká a že musí miestnosť opustiť, inak by sa udusili.

V laboratóriu sa väčšinou pripravuje reakciou uhličitanov s kyselinou chlorovodíkovou (reakčná schéma 1) alebo reakciou jedlej sódy s octom (reakčná schéma 2) v aparatúre na vývoj plynu (Obrázok 1).

Reakčná schéma 1: Reakcia uhličitanu vápenatého s kyselinou chlorovodíkovou

CaCO₃ + 2 HCl → CaCl ₂+ H₂O + CO₂

Reakčná schéma 2: Reakcia jedlej sódy (hydrogenuhličitan sodný) s octom (kyselinou octovou)

NaHCO₃ + CH₃ COOH → CH₃ COONa + H₂O + CO₂

Nehorľavosť oxidu uhličitého a jeho väčšiu hustotu než má vzduch si dokážeme jednoduchým pokusom so štyrmi rôzne vysokými horiacimi sviečkami. Sviečky umiestnime do pneumatickej vani a z aparatúry na vývoj plynu (Obr. 2) k nim budeme zavádzať oxid uhličitý. Sviečka, ktorá je najnižšia, zhasne ako prvá. Sviečka, ktorá je najdlhšia, bude horieť najdlhšie. Nehorľavé vlastnosti oxidu uhličitého sú využívané pri hasení požiarov.Oxid uhličitý je hasiace médium v snehových hasiacich prístrojoch. Tieto hasiace prístroje môžu byť použité len v dobre vetraných miestnostiach. Oxid uhličitý sa dokazuje reakciou s vápennou vodou. Vápenná voda je číra suspenzia hydroxidu vápenatého jemne rozptýleného vo vode. Pri prebublaní oxidu uhličitého vápennou vodu vzniká biela zrazenina uhličitanu vápenatého (reakčná schéma 3).

Reakčná schéma 3: Reakcia vápennej vody s oxidom uhličitým

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

Vo vydychovanom vzduchu sa znižuje obsah kyslíka z 21 % zhruba na 17 % a vzrastá obsah oxidu uhličitého z 0,03 % až na 4 %. Ďalej sa zväčšuje koncentrácia vodnej pary vo vydychovanom vzduchu. Vodnú paru je možné dokázať dýchnutím na studený predmet, napr. na vreckové zrkadlo alebo pohárik. Množstvo dusíka vo vydychovanom vzduchu zostáva zachované. Oxid uhličitý je možné vo vydychovanom vzduchu dokázať vápennou vodou (reakčná schéma 3).