空氣

空氣是指大氣層中由不同氣體和各類飄浮在其中的固體與液體顆粒（大氣顆粒與氣溶膠）所組成的氣態混合物。地球大氣層的空氣主要由78.1%的氮氣、20.9%氧氣、0.9%的氬氣和1~4%的水蒸氣組成，其成分並不是固定的，隨著高度、氣壓、溫度的改變和對流情況不同，局部空氣的組成比例也會改變。空氣在大氣層（特別是對流層）中的流動形成了風和曳流、氣旋、龍捲等自然現象，而空氣中飄浮的顆粒則形成了雲、霧、霾和沙塵暴等短期天氣情況。空氣在海洋和陸地之間跨區域流動所承載的濕度和熱能傳導也是水循環和氣候變率與變化的關鍵一環。

在自然狀態下空氣是無色無味的，以至於長期以來人們一直認為空氣是一種單一的物質，直到後來法國科學家拉瓦錫（1743~1794）通過實驗首先得出了空氣是由氧氣和氮氣組成的結論。19世紀末，科學家們又通過大量的實驗發現，空氣裡還有氦、氬、氙、氖等稀有氣體。

地球上的空氣有著較為適居的溫度和化學成分，是生物得以在此起源和演化的基礎之一，其中各種溫室氣體造成的蓄熱平衡使得地球整體的氣候條件遠比其它行星穩定。地球大氣中單質氧（氧氣）的含量遠高於其它星球，這對於所有好氧生物（特別是細胞結構和功能都高度複雜化的真核生物）來說是必需，尤其是多細胞的動物完全依賴有氧呼吸提供運動和代謝所需的生物能，此外氧氣自然產生的同素異構體——臭氧還可以形成能屏蔽對遺傳物質有害的紫外線電離輻射的臭氧層。植物和質體藻類等自養生物也需要氧氣完成自身代謝，但反過來也利用空氣中的二氧化碳進行光合作用來補充氧循環，而空氣中的二氧化碳是近乎所有植物唯一的碳元素來源，固碳驅動的初級生產也是生態系統食物網主要的生物質和能量來源。此外，空氣中相對惰性的氮氣還可以被微生物和閃電電離轉換為銨和硝酸鹽等可被生物利用的氮化合物，而這種固氮作用是生物圈進行蛋白質生產的基礎，其中酶對生化反應的催化更是驅動演化加速的一個重要因素。

## 成分

氣體｜化學式｜體積比｜質量比

乾燥空氣在海平面的主要成分

氮｜N2｜78.084 %｜75.518 %

氧｜O2｜20.942 %｜23.135 %

氬｜氬｜0.934 %｜1.288 %

痕量氣體

二氧化碳｜CO2｜0.040 %｜0.058 %

氖｜氖｜18.180 ppm｜12.67 ppm

氦｜氦｜5.240 ppm｜0.72 ppm

甲烷｜CH4｜1.760 ppm｜0.97 ppm

氪｜氪｜1.140 ppm｜3.30 ppm

氫｜H2｜約500 ppb｜36 ppb

一氧化二氮｜N2O｜317 ppb｜480 ppb

一氧化碳｜CO｜50-200 ppb｜50-200 ppb

氙｜氙｜87 ppb｜400 ppb

二氯二氟甲烷（CFC-12）｜CCl2F2｜535 ppt｜2200 ppt

一氟三氯甲烷（CFC-11）｜CCl3F｜226 ppt｜1100 ppt

一氯二氟甲烷（HCFC-22）｜CHClF2｜160 ppt｜480 ppt

四氯化碳｜CCl4｜96 ppt｜510 ppt

三氟三氯乙烷（CFC-113）｜C2Cl3F3｜80 ppt｜520 ppt

1,1,1-三氯乙烷｜CH3-CCl3｜25 ppt｜115 ppt

二氯一氟乙烷（HCFC-141b）｜CCl2F-CH3｜17 ppt｜70 ppt

二氟一氯乙烷（HCFC-142b）｜CClF2-CH3｜14 ppt｜50 ppt

六氟化硫｜SF6｜5 ppt｜25 ppt

溴氯二氟甲烷｜CBrClF2｜4 ppt｜25 ppt

三氟溴甲烷｜CBrF3｜2.5 ppt｜13 ppt

總質量（乾燥）｜5.135 · 1015 t

總質量（潮濕）｜5.148 · 1015 t

右表中列出空氣在海平面上的成分。一般人們通過蒸餾液化的空氣的方法來分離空氣的成分。

### 氮

氮在空氣中以雙原子分子的單質——氮氣的形態存在，因其三對共價鍵的分子結構十分牢固，是一種較為惰性的非活性氣體，但不屬於嚴格意義上的惰性氣體。氮氣通常不與其它物質發生化學反應，只有通過固氮變成氮化合物才能進入氮循環被生物所利用。生物的胺基酸和蛋白質合成需要氮。通過反硝化作用，氮會變回氮氣釋放回到空氣中。

在化學工業中人們可以使用哈柏法將空氣中的氮與氫氣化合成氨氣，隨後合成硝酸銨加工為化肥用來為農作物提供養分。固氮與反硝化作用基本上互相抵消，對空氣中的氮的濃度沒有影響。在深潛的過程中（潛水深度大於60米）壓縮空氣瓶中的氮會被氦代替，否則的話血液中溶解的氮會導致氮麻醉。

### 氧

氧是地球地殼中最為豐富的元素，但因為其活性很高所以絕大部分氧原子都存於各種氧化物之中，而不是以單質（氧氣）狀態存在。地球在元古宙之前的古大氣層並沒有任何游離態的氧氣，但隨著藍綠菌光合作用的不斷固碳產氧最終耗盡了地表所有的還原劑物質，地球大氣從原始的還原性大氣永久性的變為氧化性大氣，再經過新元古代和古生代期間各類真核自養生物的繁盛，氧氣濃度逐步提升最終成為空氣中僅次於氮氣的主要成分。氧氣現今是自然界最主要的氧化劑物質，幾乎所有燃燒、降解和生物呼吸都需要氧的介入。在整個地球歷史中通過光合作用所產生的氧的總量約是今天空氣中氧的總量的20倍。

地球空氣的富氧狀態也使得氧氣的同素異構體——臭氧得以在大氣層中長期存在，最終在元古宙末期在平流層下層形成了可以吸收紫外線電離輻射的臭氧層，為日後陸地和淺海生物圈的繁衍提供了保障條件，同時還防止了地表水因被光解成氫氣後逃逸到外太空而導致永久性失水的風險。

### 氬

氬是一種惰性氣體。它基本上不參加化學反應。因此在焊接時氬用來當作保護氣。此外由於它相對於空氣而言導熱性比較差，因此它也被用來作為氣密窗玻璃之間的隔熱氣體。

### 水蒸氣

按照空氣濕度的不同空氣中可以含0至4%體積比的水蒸氣。一般空氣中水蒸氣的含量在0.1%體積比（極地）至3%體積比（熱帶）之間。地面附近的水蒸氣平均含量為1.3%。

### 隨時間的變化

空氣成分的濃度是亞穩定的。在一個人活著的時間裡它的變化非常小，但是它並不是自然常數。在地球歷史上大氣層不斷發生變化，其組成成分曾經幾度巨大地變化。現在大氣層的組成是約3.5億年前形成的。

目前空氣成分變化最大的是工業化開始後二氧化碳的成分增加了約40%。有人認為人為的溫室效應導致了全球變暖。

由於痕量氣體的總量非常小，因此它們的變化幅度可以非常大，人的生產和其它自然現象（比如火山活動）就可以在短期導致其濃度的波動。

### 隨空間的變化

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以上給出的數值基本上到100千米高度不變。但是由於不同高度大氣化學的反應各不相同，因此在不同高度上尤其是衡量氣體的濃度可以有很大的差別。在100千米以上重的氣體的濃度下降。因此在高空氫和氦的濃度比在地面高得多，不過那裡的空氣密度也要低得多。

### 低濃度物質

除以上列出的主要成分外空氣里還包含少量甲烷、二氧化硫（7千米以上驟減）、一氧化碳和臭氧。

其它痕量氣體包括：

- 氟仿
- 過氧乙醯硝酸酯
- 二氧化氯
- 氮氧化物
- 二氧化硫
- 氡
- 汞

#### 二氧化碳

二氧化碳最重要的生理作用在於為光合作用提供碳，因此空氣中二氧化碳的含量對植物的生長影響很大。由於植物光合作用隨光的存在而開始或者停止，因此地面附近的二氧化碳的濃度周日起伏。在植被豐富的地方地面附近的二氧化碳的濃度在白天最低，夜間最高。此外除熱帶外地面附近的二氧化碳的濃度還隨季節起伏。在北半球三月至四月其濃度最高，十月或十一月最低。人的活動也會影響地面附近的二氧化碳的濃度。比如冬季隨著取暖的開始二氧化碳的濃度提高。

#### 臭氧

衡量臭氧濃度的是多布森單位，而不是其濃度，原因是因為臭氧是一種非常活躍的氣體，它能很快形成，很快分解，它的濃度隨高度、天氣、溫度、其它物質的存在和時間變化很大。

#### 一氧化碳

一氧化碳是一種無色的易燃毒氣。它由碳的不完全燃燒而產生。在血液中它可以更容易與紅血球結合，進而阻止氧的運輸而令人致死，對進行光合作用的植物它也有危害。未經處理的汽車廢氣中含約4%的一氧化碳。空氣中一氧化碳的主要來源是植物燃燒。

## 物理特性

溫度°C｜聲速m/s｜空氣密度kg·m-3｜聲阻抗N·s·m-3

- 10｜325.4｜1.341｜436.5

- 5｜328.5｜1.316｜432.4

0｜331.5｜1.293｜428.3

- 5｜334.5｜1.269｜424.5

- 10｜337.5｜1.247｜420.7

- 15｜340.5｜1.225｜417.0

- 20｜343.4｜1.204｜413.5

- 25｜346.3｜1.184｜410.0

- 30｜349.2｜1.164｜406.6

### 一莫耳體積

在標準狀況下空氣一莫耳體積近似為22.583L。

### 密度

在標準狀況下空氣密度為1.293kg/m3。

### 壓力

氣壓是位於一個地點上方空氣受地球引力導致的靜態的重力造成的壓力。氣壓除根據測量高度變化外還受溫度和空氣動力的影響。在海平面一平方米上的空氣壓力約為10336千克。

### 溫度

氣溫是指地面附近空氣在不受太陽輻射加熱或者地面熱源加熱的情況下的溫度。

不同應用對於氣溫的定義不一樣。在氣象學中氣溫被定義為地面以上兩米高處的溫度。

### 濕度

濕度是空氣中的水蒸氣含量，又分為絕對濕度與相對濕度。

### 其它

在標準狀態下空氣的聲速為331.5m/s。

乾燥空氣的摩爾質量為28.

在標準狀態下空氣對可見光的折射率約為1.00029。它隨氣壓、氣溫和空氣成分變化。尤其濕度對於折射率的影響比較大，相應地光速在空氣中也隨之改變。

比熱容：

- $c_p$ = 1.005 kJ/(kg K) = 0.279 kWh/(Ton K)（等壓過程）
- $c_v$ = 0.718 kJ/(kg K) = 0.199 kWh/(Ton K)（等容過程）

不含水蒸氣的空氣被稱為乾空氣。乾空氣的氣體常數為2.8704*10**6e

## 空氣污染和保護

空氣污染是對空氣的環境污染，它是通過煙、灰塵、霧、蒸氣、氣溶膠和有味物質對自然的空氣成分造成的變化。

空氣主要污染物包括二氧化硫、二氧化氮以及部分微小顆粒，統稱為PM10、PM2.5等。

在過去數年中在發達國家的空氣污染情況有所好轉，同時對溫室氣體的釋放在這些國家裡依然不斷上升。在第三世界和工業化國家中，空氣污染依然是一個非常嚴重的問題。

## 文化意義

古希臘哲學中的四元素說將空氣列為世界萬物的基本組成部分之一。與空氣相應的正多面體是正八面體。

## 外部連結

- 空氣 在ChemicalBook上的條目，CAS註冊號為

## 基本資料

- 面值：132259-10-0
- CASNo：132259-10-0