Vítejte v tomto obsáhlém průvodci o vzduchu, tématu, které často zůstává bez povšimnutí, přestože je všudypřítomné a významné. Možná si myslíte, že víte, co je vzduch - koneckonců ho dýcháme. Ale je toho mnohem víc, než se na první pohled zdá. Vzduch je složitá směs plynů a částic, která obklopuje Zemi, a hraje klíčovou roli při udržování života a ovlivňování počasí.
Vzduch je směs plynů. Jednotlivé složky nazýváme frakce, které mají určitý parciální tlak. Součet parciálních tlaků jednotlivých složek představuje tlak celé směsi. Každý plyn v atmosféře generuje jen takový tlak, jaký odpovídá jeho zastoupení v atmosféře. Atmosférický tlak je síla, kterou působí vzduch na jednotku plochy. Normální atmosférický tlak je 760 mmHg (101 kPa), s rostoucí výškou tlak klesá.
Nejhojnějším přirozeně zastoupeným plynem ve vzduchu je dusík (N2), který tvoří asi 78 % vzduchu. Dále je tu kyslík (O2), který tvoří přibližně 21 % vzduchu. Oxid uhličitý (CO2), plyn, na kterém rostliny doslova závisí, je zastoupen ve vzduchu jen z 0,04 %. Rostliny a zvířata produkují plyny, které od sebe navzájem potřebují. Typický příklad u rostlin, které potřebují oxid uhličitý a lidé ho vydechují. Tak jako kyslík, který naopak potřebují lidé a rostliny jej produkují v procesu zvaném fotosyntéza. Vlivem koloběhu vody v přírodě se množství vody ve vzduchu neustále mění. Koncentrace vodní páry klesá se stoupající nadmořskou výškou. Některé plyny ve vzduchu pochází ze sopečných erupcí. Vzduch také obsahuje drobné pevné částice jako je prach, mořská sůl, popel z vybuchujících sopek a lesních požárů. Mnoho z těchto částic jsou tak malé, že jsou až mikroskopické, avšak mohou ovlivnit klima naší planety. A to tím, že pomáhají vytvářet mraky a pohlcují nebo rozptylují sluneční záření.
Hlavní plyny v atmosféře:
Procentuální zastoupení jednotlivých složek vzduchu se s nadmořskou výškou nemění, mění se celkové množství. Ve vyšší nadmořské výšce je atmosférický tlak nižší, což vede k hypoxii (nedostatek kyslíku). Lidské tělo na tuto změnu reaguje pomocí hyperventilace. Hrozí tzv. výšková nemoc.
Čtěte také: Liberecký kraj a kvalita ovzduší
Se stoupající nadmořskou výškou klesá hustota molekul vzduchu, což vede ke snížení tlaku vzduchu. Vzduch je řidší, pokud se pohybuje ve vyšších vrstvách atmosféry. To znamená, že ve vyšších vrstvách atmosféry není dostatek kyslíku, abychom mohli pohodlně dýchat, proto například horolezci používají kyslíkové bomby, když zdolávají vysoké hory.
Při rychlém vystoupání potápěče z hloubky na hladinu může dojít k tzv. Kesonové nemoci (dekompresní nemoc). Dusík je nejhojněji zastoupený plyn v atmosféře, v těle potápěčů se ho v hloubce rozpouští velké množství a při rychlé dekompresi (poklesu tlaku) se dusík přemění zpět na plynný a vytváří bublinky v krvi, což může vést až k embólii. Prevencí jsou přetlakové komory a nebo pozvolná dekomprese.
Dusík (chemická značka N, latinsky nitrogenium) je plynný chemický prvek, tvořící hlavní složku zemské atmosféry. V druhé polovině 18. století byla objevena složka vzduchu, která nepodporuje hoření ani dýchání. Tento plyn popsal jako první Němec Carl Wilhelm Scheele v roce 1777 a Francouz Antoine Lavoisier ho pojmenoval jako azote (tento název se používá např. ve francouzštině, ruštině (Азот) nebo polštině), což znamená 'dusivý plyn'. Poté, co bylo zjištěno, že je kyselina dusičná odvozena od dusíku, pro něj Chaptal navrhl název nitrogéne, což znamená 'ledkotvorný', který se udržel v latinském označení nitrogenium. Český název dusík vznikl překladem jeho německého názvu Stickstoff a pochází od Jana Svatopluka Presla; podobné názvy jsou ještě např.
Dusík je plyn bez barvy, chuti a zápachu. Není toxický ani jinak nebezpečný. Dusík je v atmosféře tvořen dvouatomovými molekulami, které jsou spojeny velmi pevnou trojnou vazbou. Tato trojná vazba má za následek jeho nízkou reaktivitu. Dusík je inertní plyn, to znamená, že reaguje s jinými chemickými sloučeninami pouze za vysokých teplot a tlaků. Za laboratorní teploty reaguje pouze s lithiem a hořčíkem. Za vysokých teplot se však dusík slučuje s většinou prvků - např. Naproti tomu atomární dusík je velmi reaktivní a nelze ho uchovávat. Jeho vysoká reaktivita spočívá v tom, že má ve valenční vrstvě 3 nepárové elektrony. Stability docílí tím, že buď přijme tři elektrony a vytvoří stabilní oktet ve valenční sféře N3−, nebo odevzdá až 5 elektronů a získá tím kladnou valenci, např.
Dusík má po kyslíku a fluoru třetí nejvyšší hodnotu elektronegativity, a proto u něj převládá schopnost vytvářet aniont, který se nazývá nitridový N3−. Pouze ve sloučeninách s kyslíkem a fluorem je schopen tvořit ionty, kde se uplatňuje v kladné valenci. Pomocí přesunů elektronu je možné nalézt a vyjádřit určité mezní elektronové konfigurace valenční sféry atomů dusíku ve sloučeném stavu. Aby tedy dusík dosáhl max. záporného oxidačního stavu, musí přijmout tři elektrony. Aby dosáhl max. Kvůli své elektronegativitě dusík nemůže spontánně přesunout svou elektronovou hustotu z atomů při vytváření vazeb s jinými elektronegativnějšími prvky, ale zároveň není jeho elektronegativita dostatečně vysoká na "přetáhnutí" vazebných elektronů do valenční sféry při vazbě s elektropozitivními prvky. Běžně se u dusíku vyskytují homonukleární vazby.
Čtěte také: Elektromotory a znečištění: Překvapivé výsledky
Výroba dusíku:
V elementární podobě se s dusíkem setkáváme prakticky neustále, tvoří totiž 78 % (objemových) zemské atmosféry. Ve stopách se v atmosféře vyskytuje také amoniak, který se uvolňuje tlením organických sloučenin a při elektrickém výboji (například blesku). Vzhledem k rozpustnosti prakticky všech svých anorganických solí se téměř nevyskytuje v běžných horninách. Všechny tyto látky byly v průběhu času dávno spláchnuty do oceánů a tam se opět zapojily do různých biologických cyklů. Výjimkou je např. chilský ledek neboli dusičnan sodný NaNO3, který pravděpodobně vznikl rozkladem rostlinných a živočišných látek zejména na chilském pobřeží.
Dusík je významný biogenní prvek, který se vyskytuje ve významných organických sloučeninách a ve všech živých organismech. Rostliny ho přijímají kvůli svému růstu a nevylučují ho. Nejvýhodnější laboratorní příprava čistého dusíku se provádí zahříváním koncentrovaného roztoku dusitanu amonného nebo směsi roztoku chloridu a dusitanu amonného. Často se ještě dusík v laboratoři připravuje vedením vzduchu přes rozžhavenou měď. Měď reaguje s kyslíkem a vzniká černý oxid měďnatý. Vzniklý dusík není úplně čistý, protože vzduch obsahuje okolo 1 % argonu a dalších vzácných a netečných plynů. Další možná příprava dusíku v laboratoři, při které získáme obzvláště čistý dusík, je tepelný rozklad amoniaku. Při tomto postupu vedeme amoniak přes práškový nikl při teplotě 1 000 °C.
Dusík se dříve technicky připravoval vedením vzduchu přes rozžhavené uhlí nebo koks, čímž se kyslík spálí na oxid uhličitý. Oxid uhličitý se následně od dusíku odstraní promýváním ve vodě. Dusík se dnes prakticky výlučně vyrábí nízkoteplotní rektifikací zkapalněného vzduchu a tvoří přitom spíše přebytky při výrobě více žádaného kyslíku. Při postupném ochlazování nejprve dochází k oddělení kapalného CO2. Dále dochází ke zkapalnění kyslíku s dusíkem, případně ještě argonem. Hélium zůstává plynné a tím je ze směsi odděleno (vč. jiných vzácných plynů). Kapalná směs je pak dělena v rektifikační koloně. Představa o frakční destilaci vyučovaná na základních a středních školách je jen zjednodušením a má daleko k průmyslové realitě. Taková velkokapacitní výroba dusíku v rámci ČR je realizována např. v průmyslové zóně Litvínov-Záluží (areál spol. Unipetrol RPA). Kromě přímého expedování se přímo v areálu využívá např.
Využití dusíku:
Čtěte také: Zlepšení ovzduší Dolní Domaslavice
Plynný dusík nalézá využití jako inertní atmosféra např. v prostředí, kde hrozí nebezpečí výbuchu, pro svařování v inertní atmosféře (TIG), při výrobě integrovaných obvodů, nerezové oceli. Kapalný dusík se využívá v řadě kryogenních procesů, při nichž je třeba udržet prostředí na značně nízké teplotě. Příkladem je uchovávání tkání nebo spermií a vajíček v lázni z kapalného dusíku. Kapalným dusíkem jsou chlazeny polovodičové detektory rentgenového záření v různých spektrometrických aplikacích. Pevný dusík se používá ve směsi s kapalným pro rychlejší chlazení, např. při kryokonzervaci spermií. Také je využíván jako matrice pro studium a uchovávání nestabilních sloučenin, např.
Dusíkatá hnojiva jsou látky, které se rostlinám dodávají, aby rostly rychleji. Rostliny dusík nevylučují a plně ho využívají k růstu. Rostliny, které byly hnojeny nadbytkem hnojiv s obsahem dusíku, lze poznat podle dužnatých tkání křehkých dužnatých orgánů, velkých, sytě zelených, listů. Amoniak NH3 a jeho sloučeniny jsou jedním z nejvyužívanějších hnojiv v zemědělství. Plynný amoniak se v poslední době stává náhradou freonů v chladírenství. Amoniak se vyrábí přímou syntézou z plynů tzv. Dusičnan amonný NH4NO3 je další často používané hnojivo bohaté na obsah dusíku. Dnes se však stejně jako síran amonný (NH4)2SO4 a dusíkaté vápno neboli kyanamid vápenatý CaCN2 využívá méně. Močovina (NH2)2CO neboli diamid kyseliny uhličité se jako hnojivo v poslední době využívá stále více. Její výroba je nenáročná a velmi levná. Ostatní dusičnany, které se používají jako hnojiva, nejsou samy o sobě významné. Používají se hlavně ve směsi s dalšími látkami a vytváří tak komplexní hnojiva.
Mimořádných oxidačních vlastností sloučenin dusíku s valencí N5+ se již od dávnověku využívá při výrobě explozivních látek. Již v starověké Číně byla známa výroba střelného prachu, jehož podstatnou složku tvoří dusičnan sodný nebo draselný. Organické sloučeniny dusíku jako například aminy se používají k výrobě barviv a léčiv.
Sloučeniny dusíku:
Mezi deriváty amoniaku se řadí amidy, imidy a nitridy, které vznikají nahrazováním atomů vodíků v jeho molekule. Amoniak NH3 je plyn lehčí než vzduch, bez barvy, rozpustný ve vodě, má charakteristický štiplavý zápach, leptá sliznice a používá se jako hnojivo a surovina pro výrobu dalších anorganických a organických sloučenin. Při rozpouštění amoniaku ve vodě se reakcí s vodou tvoří z části molekul amoniaku tzv. Derivát, který vzniká nahrazením jednoho atomu vodíku v amoniaku, se nazývá amid nebo amin. Amidy jsou deriváty amoniaku, které mají atom vodíku nahrazen kovem (např. amid sodný NaNH2) nebo si je můžeme představit odvozené náhradou skupiny OH v kyselinách za skupinu -NH2 (např. diamid kyseliny uhličité neboli močovina (NH2)2CO). Jako aminy se označují ostatní sloučeniny (např. chloramin NH2Cl). Derivát, který vzniká nahrazením dvou atomů vodíku v amoniaku, se nazývá imid nebo imin. Anion má tvar >NH2−. Derivát, který vznikne odtržením všech atomů vodíku z amoniaku, se nazývá nitrid nebo (pouze v některých sloučeninách) nitril. Jako nitril se označuje velmi málo sloučenin (např. kyselina nitrilosulfonová N(SO3H)3). Nitridy jsou obecně dvouprvkové sloučeniny dusíku s jinými prvky.
Hydrazin N2H4 je bezbarvá, na vzduchu silně dýmající kapalina. Má zásaditý charakter a je schopen tvořit soli hydrazínia. Hydroxylamin NH2OH nelze snadno připravit ve volném stavu, protože látka snadno detonuje. Stabilnější jsou její soli hydroxylaminia. Mezi halogenidy dusíku řadíme fluorodusík NF3, chlorodusík NCl3 a jododusík NI3. Bromodusík se nepodařilo připravit čistý, ale pouze jako amoniakát NBr3·6NH3. Fluorodusík je bezbarvý plyn, chlorodusík těkavá tmavě žlutá olejovitá kapalina a jododusík hnědočervená pevná látka.
Mezi sloučeniny síry s dusíkem patří několik látek. Nejznámější mají složení S4N4 tetranitrid síry a S4N2 dinitrid síry. Oxidy dusíku jsou známy s dusíkem formální valence N1+ až N5+. Oxidy dusíku s mocenstvím N2+ až N5+ jsou hlavními složkami tzv. Oxid dusný N2O, nazývaný také rajský plyn, je bezbarvý plyn slabého zápachu a nasládlé chuti, který byl v dřívějších dobách používán jako narkotikum při chirurgických operacích. Dnes se používá jako hnací plyn ve sprejích. Oxid dusnatý NO je bezbarvý plyn, velmi jedovatý, který při kontaktu s kyslíkem reaguje na oxid dusičitý. Oxid dusitý N2O3 je temně modrá kapalina, která se za pokojové teploty rychle rozkládá na oxid dusnatý a oxid dusičitý. Oxid dusičitý NO2 je hnědočervený, silně jedovatý plyn charakteristického zápachu, který za pokojové teploty dimeruje na N2O4, který je bezbarvý. Oxid dusičný N2O5 je bezbarvá krystalická látka, která se na vzduchu rychle rozplývá. Oxid dusičný není stabilní a může bez vnější příčiny explodovat. Při reakci s ozonem lze získat sloučeninu s větším obsahem kyslíku, která má složení NO3 a nazývá se peroxid nitrosylu.
Známe dvě řady oxohalogenidů dusíku: halogenidy nitrosylu (NOX) a halogenidy nitrylu (NO2X). První jsou velmi reaktivní plyny, které lze vyrobit přímou halogenací oxidu dusného. Fluorid nitrosylu (NOF) je bezbarvý plyn, jde o silné fluorační a nitrační činidlo, čehož se využívá v syntéze. Chlorid nitrosylu (NOCl) je žlutý plyn, je to silný elektrofil a oxidační činidlo. Bromid nitrosylu (NOBr) je červený plyn, silné oxidační činidlo. Za pokojové teploty částečně disociuje na oxid dusnatý a brom.
Nejstálejší a nejdůležitější kyselinou dusíku je kyselina dusičná, další známé kyseliny dusíku jsou kyselina dusitá, kyselina azidovodíková a kyselina kyanovodíková. Kyselina azidovodíková HN3 je bezbarvá, ostře páchnoucí kapalina s jedovatými parami, které explodují velmi prudce, pokud přijdou do styku s horkým předmětem. Ve vodném roztoku je kyselina azidovodíková stálá. Je to slabá kyselina. Kyselina dusná H2N2O2 je bílá krystalická látka, která je v suchém stavu krajně explozivní. Dobře se rozpouští ve vodě a lihu. Je to velmi slabá kyselina, protože její disociace v roztoku je nepatrná. Kyselina dusitá HNO2 je látka stálá pouze v chladných, silně zředěných roztocích. Při vyšší teplotě nebo ve větší koncentraci se rozkládá na kyselinu dusičnou, oxid dusnatý a vodu. Soli kyseliny dusité, dusitany neboli nitrity, jsou na rozdíl od kyseliny znatelně stabilnější a mají praktické využití při organických syntézách např. Kyselina dusičná HNO3 je v čistém stavu bezbarvá kapalina, která se ve větší koncentraci na světle rozkládá na oxid dusičitý, vodu a kyslík. Kyselina je silné oxidační činidlo. Kyselina kyanovodíková HCN je vodný roztok kyanovodíku HCN. Je to slabá toxická kyselina, místy využívaná jako postřik. Její soli se nazývají kyanidy (např. kyanid draselný KCN nebo kyanid sodný NaCN. Kyanidy se v organismech mění na kyanovodík HCN.
Mezi organické sloučeniny dusíku se řadí nitrosloučeniny, nitrososloučeniny, aminy, amoniové soli, kyanatany neboli kyanáty, isokyanatany neboli isokyanáty, thiokyanatany neboli thiokyanáty, isothiokyanatany neboli isothiokyanáty, azosloučeniny, diazoniové soli, deriváty hydrazinu, deriváty hydroxylaminu, aminokyseliny, amidy kyselin, hydrazidy kyselin, laktamy, imidy kyselin a nitrily kyselin.
Nitrosloučeniny obsahují v molekule skupinu -NO2. Mají podle reakčních podmínek mírné oxidační vlastnosti a některé z nich jsou významnými meziprodukty chemického průmyslu, zejména při výrobě aromatických aminů a výbušnin. Vyrábí se nitrací aromátů nitrační směsí nebo nitrací alifátů plynnou HNO3 nebo NOx. Nitrososloučeniny obsahují skupinu -NO a jsou to deriváty uhlovodíků, které vznikají náhradou atomu vodíku na terciárním atomu uhlíku. Např. Aminy jsou deriváty amoniaku, které vznikají náhradou atomů vodíku v jeho molekule, a dělí se na primární se skupinou -NH2, sekundární se skupinou =NH a terciární se skupinou =N-. Aminoskupina je přítomna ve všech aminokyselinách, které jsou základní stavební jednotkou bílkovin. Atom dusíku v aminech má stejně jako v amoniaku volný elektronový pár. Azosloučeniny jsou dusíkaté deriváty obsahující skupinu -N=N-, na tuto skupinu se mohou vázat dva stejné nebo různé uhlovodíkové zbytky. Např. Aminokyseliny jsou dusíkaté a kyslíkaté deriváty, které obsahují aminoskupinu -NH2 a karboxylovou skupinu -COOH. Aminokyseliny jsou základní stavební jednotky bílkovin a v organismech se vyskytuje pouze 20 proteinogenních aminokyselin (tzn. takových, které se vyskytují v bílkovinách). Všechny tyto aminokyseliny mají triviální názvy, až na glycin jsou opticky aktivní a patří mezi tzv. Amidy jsou dusíkaté deriváty, které obsahují amidovou skupinu -CO-NH2. Imidy jsou dusíkaté deriváty, které obsahují imidovou skupinu -CO-NH-CO-. Nitrily jsou dusíkaté deriváty, které obsahují nitrilovou skupinu -C≡N. Pokud pojmenováváme tyto sloučeniny jako nitrily, tak se uhlík vázaný na dusík zahrnuje do názvu uhlovodíkového zbytku. Hydrazidy jsou dusíkaté deriváty, které obsahují hydrazidovou skupinu R-CO-NH-NH2. V hydrazinu mohou být nahrazeny až všechny čtyři atomy vodíku. Laktamy neboli vnitřní amidy vznikají zacyklením, nejčastěji 4-8 uhlíkatého, amidů karboxylových kyseliny. Na jednom konci uhlíkatého řetězce je aminoskupina a na druhém karboxylová skupina. Nitráty jsou estery kyseliny dusičné, které obsahují nitroskupinu -O-NO2. Nitráty se typicky připravují "nitrací" hydroxysloučenin kyselinou dusičnou ve formě zpravidla nitrační směsi.
Kyslík (O2), plyn podporující život, tvoří přibližně 20,9476 % vzduchu. Každý potřebuje kyslík, aby přežil. Resuscitovaný pacient vydechuje 10 - 11 % kyslíku.
V minulém století se díky výrobě a rozšířenému používání spalovacích motorů zvýšil počet aerosolů ve vzduchu. Pod tlakem veřejnosti začal být v 70. Jako ve všem na Zemi, i ve vzduchu je kus chemie. Chemické látky v ovzduší často reagují s jinými chemickými látkami na Zemi. Mnoho z těchto chemických reakcí pomáhá udržovat životní prostředí a je životně důležité pro zemskou faunu a flóru. Avšak i atmosféra je ovlivněna chemikáliemi, které vytvořili lidé a které mohou negativně ovlivnit lidské zdraví a životní prostředí. Jako například výfuky vozidel, které obsahují oxid dusičitý a další znečišťující chemikálie, které jsou nebezpečné pro rostlinné a živočišné buňky. Smog, který se skládá hlavně z ozonu a částicového uhlíku (sazí), které způsobují onemocnění plic u lidí a u zvířat. Továrny spalující fosilní paliva také uvolňují oxidy síry a dusíku, které se v atmosféře spojují s vodou a vytvářejí kyselé deště, jež dokážou vážně ohrozit životní prostředí.
Vzduch obsahuje přírodní složky a znečišťující látky, které mohou škodit lidem i životnímu prostředí. Znečišťující látky jako oxid dusičitý, oxid uhelnatý a oxid siřičitý se běžně vyskytují ve výfukových plynech vozidel a průmyslových emisích. Ke znečištění ovzduší přispívají také přírodní zdroje, jako jsou sopky a lesní požáry.
Index kvality ovzduší (AQI) je standardizovaný systém používaný k měření a porovnávání kvality ovzduší na různých místech a v různých časech. Hodnoty AQI se pohybují v rozmezí od 0 do 500, přičemž vyšší hodnoty znamenají horší kvalitu ovzduší. Index AQI se vypočítává na základě údajů ze stanic pro monitorování kvality ovzduší, které měří koncentrace různých znečišťujících látek. Tyto stanice používají pokročilé senzory a analytické metody, které poskytují přesné a včasné informace. Pochopení způsobu výpočtu indexu AQI vám může pomoci při rozhodování o venkovních aktivitách, zejména pokud máte dýchací potíže.
Vypařováním se voda mění na páru, která stoupá do atmosféry, zatímco kondenzací se mění zpět na kapalinu a vytváří mraky. Když tyto vodní kapky příliš ztěžknou, dochází ke srážení, které padá ve formě deště, sněhu nebo jiných forem. Meteorologické fronty, hranice mezi vzduchovými hmotami, mohou vést k různým povětrnostním podmínkám, jako jsou bouřky nebo mrholení. Tyto modely jsou ovlivňovány faktory, jako je tlak vzduchu, teplota a vlhkost, což meteorologům pomáhá při vytváření přesných předpovědí.
Vzduch existuje převážně v plynném stavu, kdy jsou jeho molekuly v neustálém pohybu. Tyto molekuly působí na povrch silou, známou jako tlak vzduchu, která se mění s nadmořskou výškou a ovlivňuje průběh počasí. Látky, jako je vzduch, mohou měnit stavy; například vzduch může být za určitých podmínek stlačen na kapalinu. Měření tohoto tlaku pomocí barometru má zásadní význam pro předpověď počasí a různé vědecké směry.
V atmosféře probíhají různé reakce, které významně ovlivňují život na Zemi i planetu samotnou. Fotosyntéza je proces, při kterém rostliny přeměňují oxid uhličitý a sluneční světlo na kyslík a glukózu. Hoření je chemická reakce, při níž dochází k rychlému spojení paliva s kyslíkem. Když se oxid siřičitý a oxidy dusíku uvolňují do atmosféry, mohou reagovat s vodní párou a vytvářet kyselý déšť. Ozon je trojatomový alotrop kyslíku, který se přirozeně vyskytuje ve stratosféře, kde pohlcuje škodlivé UV záření. V nižších vrstvách atmosféry však může být toxický a často je vedlejším produktem znečištění ovzduší.
tags: #dusík #kyslík #ve #vzduchu