La zemaljska atmosfera Sastoji se od različitih vrsta kemijskih elemenata koji tvore plinoviti omotač oko planeta. Taj sloj plinova omogućuje život kakav poznajemo, budući da nas štiti od vremenskih uvjeta. neprijateljski uvjeti u svemirušto bi bilo smrtonosno za živa bića.
Atmosferski plinovi su od najveće važnosti za Zemljina vitalnostPostoji mnogo različitih vrsta, ali moguće je izračunati koji je plin prisutan u veći udio i koji volumen zauzima u odnosu na ostatak. Razumijevanje ovog sastava ključno je za razumijevanje fenomena kao što su klima, ciklus vode i ekološka ravnoteža globalno.
Atmosfera sadrži nekoliko plinova bitnih za održavanje života, kao što su dušik, argon i kisikkoji se, štoviše, nalaze u veće obiljeMeđutim, postoje i druge komponente, poput ugljikovog dioksida, vodene pare i tragova brojnih plinova, koje igraju bitnu ulogu iako su prisutne u malim količinama.
Kakva je atmosfera?
Atmosfera je skup plinova koji čine najrjeđi i najudaljeniji sloj planeta Zemlje. Relativni sastav tih plinova varira ovisno o visina, Od pritisci i temperature Mijenjaju se kako se penjete. Kolokvijalno, dio najbliži površini poznat je kao "aireOva zona proteže se otprilike prvih 11 kilometara nadmorske visine od razine mora (ili razine oceana), regije koja čini dio troposfera, gdje je koncentrirana većina zraka koji udišemo i gdje se razvija gotovo svo atmosfersko vrijeme.
U tim nižim slojevima atmosfere, glavni prisutni plinovi su dušik (N₂), s oko 78% ukupnog volumena, nakon čega slijedi kisik (O₂)što predstavlja otprilike 21%i argon (Ar), s otprilike 0,93%Dalje na ljestvici brojnosti nalaze se ugljikov dioksid (CO₂), neonski, helijum, metan, kripton, hidrogen i drugih plinova u tragovima, kao i vodena para, čiji udio uvelike varira ovisno o regiji i klimatskim uvjetima.
Atmosfera posjeduje velike zaštitna svojstva suočeni s prijetnjama iz svemira. Na primjer, većina meteoriti Raspadaju se pri kontaktu s gornjim slojevima plina zbog trenje i zagrijavanju. Nadalje, djeluje kao vrsta Escudo Ispred ultraljubičasto zračenje koje potječe sa Sunca. Dio ovog zračenja apsorbira ozon (O₃) prisutni u stratosferi, sprječavajući ozbiljna oštećenja tkiva ljudi, životinja i biljaka.
Kroz povijest Zemlje, atmosfera je bila preobražavajući zbog aktivnosti raznih vrsta koje su ga nastanjivale. Ljudi, na primjer, dišu kisik i, pri izdisaju, izbacuju ugljični dioksidkoji biljke koriste tijekom fotosinteze; zauzvrat, biljke oslobađaju kisik, čime se zatvara biogeokemijski ciklus temeljno. Atmosfera također djeluje zajedno s hidrosfera (vode planeta) pomažući regulirati temperaturu, ublažavajući nagle promjene koje bi dan i noć ili godišnja doba mogli uzrokovati.
Druga bitna funkcija atmosfere je njezina uloga u ciklus vodeVodena para isparava iz oceana, rijeka, jezera i tla, diže se, kondenzira u oblake i konačno pada kao kiša. taloženjeOvaj proces održava ekosustave, obnavlja vodonosnike i omogućuje raznolike klime diljem planeta.
Glavni plinovi u atmosferi
Kao što je spomenuto, atmosfera se sastoji od različitih vrsta plinova, od kojih neki zauzimaju više mjesta nego drugi. U nastavku je popis ovih plinova poredan prema njihovom obilje, uz detaljnije objašnjenje njegove funkcije i važnosti unutar Zemljinog sustava.
Dušik
Dušik je najzastupljeniji plin atmosfere, jer čini otprilike 78% cijelog svog volumena. To je kemijski element predstavljeno slovom N, s atomski broj 7 y približna atomska težina 14,01Na sobnoj temperaturi se nalazi prvenstveno u obliku dvoatomske molekule. N₂koji je plin bezbojna, bezmirisan e neukusan.
Molekularni dušik ima trostruka kovalentna veza (N≡N), jedna od najjačih poznatih veza u kemiji. Ova karakteristika joj daje velika stabilnost i to čini relativno inertan U normalnim uvjetima dušik ne reagira lako s drugim elementima. Zbog te stabilnosti, dušik često zahtijeva specifične uvjete za reakciju i stvaranje spojeva. posebni uvjeti, kao što su visoke temperature, visoki tlakovi ili prisutnost katalizatori.
Iako je atmosferski dušik toliko obilan, većina organizama ga ne može izravno koristiti u obliku N₂. Međutim, ovaj element je neophodan za život: je dio aminokiseline, od proteini i nukleinske kiseline kao što su DNK i RNK, koje sadrže genetske informacije svih živih bića.
Kisik
Kisik zauzima drugo mjesto među najzastupljenijim plinovima u atmosferi, budući da predstavlja oko 21% istog. Njezina Atomski broj je 8, veći od dušika i predstavljen je slovom OU svom dvoatomskom obliku (O₂), to je plin koji održava život većine kopnenih aerobnih organizama.
To je vrlo snažno oksidacijsko sredstvo i posjeduje jedan od više elektronegativnosti od svih kemijskih elemenata, što znači da snažno privlači elektrone prilikom stvaranja veza. Kisik je neophodan za procese stanično disanje, u kojem živa bića dobivaju energiju iz hranjivih tvari. Također je sastavni dio molekula DNK, puno enzimi i širok raspon organskih i anorganskih spojeva.
U atmosferi se nalazi i poseban oblik kisika, tj. ozon (O₃), koncentriran uglavnom u ozonski omotač stratosfere. Ovaj triatomski oblik je ključan jer apsorbira i reflektira velik dio visokoenergetskog ultraljubičastog zračenja, čime se Zemljina površina štiti od teških bioloških oštećenja.
Argon
Argon čini otprilike 0,93% svega atmosferskog zraka. Ime mu dolazi iz grčkog, gdje piše 'Argus'što to znači "mirovanje"Budući da je to plin koji teško reagira s drugim kemijskim elementima, klasificiran je kao plemeniti plin, predstavljen je slovima Ar i posjeduje atomski broj 18To je plin bezbojna, bezmirisan i kemijski vrlo inertan.
Njegova kemijska inertnost čini ga vrlo korisnim u brojnim tehnološke primjeneKoristi se, na primjer, u žaruljama sa žarnom niti kako bi se spriječila oksidacija niti, zaštitite zavare protiv kontakta s kisikom u zraku, kao izolacijski plin u dvostruko staklo (prozori s dva staklena panela) i kao inertna atmosfera u procesima gdje je potrebno izbjeći neželjene reakcije.
Iako se argon smatra jednostavno zagušljivo (jer može istisnuti kisik u zatvorenim prostorima ako je prisutan u visokim koncentracijama), sam po sebi nije otrovan. Glavna mjera opreza je uvijek osigurati odgovarajuća ventilacija kada se rukuje u zatvorenim prostorima.
Budući da su to prva tri i glavni plinovi koji čine atmosferu, slijede ih drugi u manjim udjelima, kao što su ugljikov dioksid (CO₂), neonski, helijum, metan, kripton i hidrogenPojavljuju se i vrlo male količine spojeva kao što su dušikov oksid ili ugljični monoksid, među mnogim drugim plinovima u tragovima.
Drugi uobičajeni plinovi i elementi atmosfere
Dušik, kisik i argon su tri najzastupljenija plina u atmosferi, ali postoje i druge komponente koje, iako su prisutne u niske koncentracije, ispostavilo se bitno kako bi se održao život i klima planeta.
Jedan od njih je ugljikov dioksid (CO₂)Iako se sastoji samo od oko 0,04% Zemljine atmosfere (otprilike 410 ppm, s nedavnim varijacijama zbog ljudske aktivnosti), ključna je komponenta u fotosinteza i u drugim metaboličkim procesima. Biljke i drugi autotrofni organizmi koriste CO₂ za pretvorbu Energia Solar en kemijska energija upotrebljiv.
El vodena para (H₂O) To je još jedna bitna komponenta. Iako se njegov udio razlikuje (može se kretati od gotovo nule do nekoliko postotnih bodova), on je temeljan za stvaranje oblakaoborine i vremenske pojave. Nadalje, djeluje kao Staklenički plinpomažući u održavanju prosječne temperature planeta unutar raspona kompatibilnih sa životom.
Također nalazimo i ozon (O₃) u malim, ali ključnim koncentracijama. U stratosferi ozon tvori zaštitni sloj koji apsorbira velik dio visokoenergetskog ultraljubičastog zračenja. Nasuprot tome, na razini tla ozon može postati zagađivač štetno za zdravlje dišnih putova.
Među plinovima u tragovima, približne (i varijabilne) količine su: neonski ~18 ppm (0,0018%), helijum ~5,2 ppm (0,00052%), metan ~1,8–1,9 ppm (0,00018–0,00019%), kripton ~1,1 ppm (0,00011%) i hidrogen ~0,55 ppm (0,000055%). Ove brojke su približne i mogu se neznatno razlikovati ovisno o mjerenjima i vremenu, ali služe da pokažu koliko su ti plinovi manje zastupljeni u usporedbi s dušikom ili kisikom.
Drugi plinovi kao što su metan (CH₄), dušikov oksid (N₂O) i raznolik hlapljivi organski spojevi Također su dio atmosfere. Iako im je koncentracija vrlo mala, imaju primjetan utjecaj na radijacijska ravnoteža planeta i u atmosferska kemija, zbog čega se smatraju staklenički plinovi od velike važnosti.
Koji je najzastupljeniji plin u Zemljinoj atmosferi?
El dušik To je najzastupljeniji plin u Zemljinoj atmosferi, koji čini oko tri četvrtine njezinog ukupnog volumena. Zbog te ogromne prisutnosti dušik je ključna komponenta. neophodan za globalnu ravnotežu planeta. Iako ne sudjeluje izravno u disanju poput kisika, njegova uloga u biologijaje industrija i prirodni ciklusi to je presudno.
Dušik u atmosferi je glavna rezerva ovog elementa za biosferu. Iako biljke i životinje ne mogu izravno koristiti N₂, različiti prirodni procesi, kao što su ciklus dušikaOmogućuju mu transformaciju u kemijske oblike koje mogu koristiti živa bića, čime se osigurava njegova prisutnost u proteinima, nukleinskim kiselinama i drugim temeljnim spojevima.
Budući da je dušik najzastupljeniji plin u Zemljinoj atmosferi, neophodan je za održavanje životaVrijedi dublje istražiti njegove karakteristike, porijeklo, prirodni ciklus i aplikacije u svakodnevnom životu i u modernoj industriji.
Etimologija
Naziv "dušik" dolazi iz latinskog "Nitrij", vezano uz ideju o "okidač" ili „geni“. Ovaj su mu termin dali liječnici i kemičari Daniel Rutherfordkoji je, kroz eksperiment 1772. godine, uspio apsorbirati kisik i ugljikov dioksid sadržane u uzorku zraka, ostavljajući dušik kao rezidualni element. Iako se formalno otkriće pripisuje Rutherfordu, postoje naznake da alkemičari srednjeg vijeka Već su koristili dušikove spojeve u svojim eksperimentima, što se može vidjeti iz nekih drevnih spisa.
Dušik se može dobiti iz atmosfere putem ukapljivanje zraka I kasnije frakcijska destilacijaBudući da je atmosfera praktički rezervoar neiscrpan Ovi procesi omogućuju učinkovitu dostupnost velikih količina dušika, kako u plinovitom obliku tako i u obliku tekući dušik, s višestrukom tehničkom i industrijskom primjenom.
Fizikalna i kemijska svojstva dušika
Na sobnoj temperaturi, dušik je dvoatomski plin (N₂) bezbojna, bezmirisan e neukusan. Predstavlja a vrlo niska točka vrelišta (oko -195,8 °C) i talište blizu -210 °C. Ova kriogena svojstva omogućuju mu, u tekućem obliku, široku upotrebu kao rashladni u brojnim primjenama.
Kemijski, molekularni dušik je izuzetno stabilan zbog trostruke veze N≡N. Ova stabilnost znači da je, pod normalnim uvjetima, nije baš reaktivanTo zahtijeva visoke temperature, električna pražnjenja ili specifične katalizatore kako bi se prekinule veze i omogućilo stvaranje novih spojeva. Međutim, kada se aktivira, dušik može dati širok raspon tvari, od kojih mnoge imaju značajan biološki i industrijski značaj.
Što se tiče njegove elektroničke strukture, dušik ima konfiguracija 1s² 2s² 2p³, s pet elektrona u svom valentna ljuskaTo mu omogućuje da se formira do tri kovalentne veze s drugim atomima, što objašnjava njegovu središnju ulogu u stvaranju spojeva kao što su aminokiselineamini, nitrili i mnoge druge funkcionalne skupine u organskoj i anorganskoj kemiji.
Prirodni ciklus
Poziv ciklus dušika To je biogeokemijski proces kroz koji ovaj element cirkulira između atmosfere, tla, vode i živih organizama. bakterije koje fiksiraju dušik Oni igraju vitalnu ulogu u pretvaranju atmosferskog N₂, koji je inertan, u kemijske oblike kao što su amonij (NH₄⁺) i nitrat (NO₃⁻)koje biljke mogu apsorbirati.
Biljke koriste ove dušikove spojeve za rasti i razvijaju svoja tkiva. Služeći kao hrana za biljojede životinjeDušik zatim ulazi u hranidbeni lanac. Te životinje pak konzumiraju mesožderi y svejediproširujući prisutnost dušika u cijelom ekosustavu. Organski otpad (izmet, urin, ostaci mrtvih biljaka i životinja) razgrađuju bakterije i drugi mikroorganizmi, koji te spojeve pretvaraju natrag u amonij i druge tvari.
Konačno, druge bakterije u tlu provode denitrifikacija, proces kojim se nitrat pretvara u dušik (N₂) i vraća se u atmosferu. Na taj se način zatvara ciklus dušika, što jamči kontinuirana cirkulacija ovog elementa među različitim dijelovima planeta.
Upotrebe dušika
Dušik se intenzivno koristi u industriji za proizvodnju amonijak (NH₃) Kroz Haber-Boschov procesProizvodnja amonijaka kombinira atmosferski dušik s vodikom pod visokim tlakom i temperaturom u prisutnosti katalizatora. Amonijak dobiven na ovaj način osnova je za proizvodnju većine proizvoda. dušična gnojivatemeljno za modernu poljoprivredu i za održavanje proizvodnje hrane velikih razmjera.
U svakodnevnom životu, amonijak i njegovi derivati nalaze se u širokom rasponu proizvoda: od sredstva za čišćenje kućanstva čak i industrijski aditivi. Dušik je također uključen u proizvodnju tvari kao što su plastikasintetičke smole i drugi materijali koji su dio bezbrojnih svakodnevnih predmeta.
El tekući dušik Široko se koristi u rashladne i kriogene primjeneZbog vrlo niske točke vrelišta, koristi se za konzerviranje i skladištenje hrane. biološki uzorci (kao što su stanice, tkiva ili sperma), obavljati medicinske postupke kao što su krioterapija i u brojnim industrijskim procesima gdje je potrebno održavati izuzetno niske temperature. Međutim, važno je s njim pažljivo rukovati. veliki oprezbudući da izravan kontakt s njim može uzrokovati vrlo teške hladne opekline (ponekad kolokvijalno opisane kao "pečenje" ili "tapanje" kože), ozebline ili gušenje ako istisne kisik u zatvorenim prostorima.
Dušik se također koristi kao inertna atmosfera u brojnim industrijskim procesima. Na primjer, uvodi se u spremnike, cijevi ili kontejnere gdje je potrebno istisnuti kisik kako bi se spriječilo oksidacije, eksplozije ili neželjenih reakcija. U prehrambenoj industriji dušik se koristi za proizvodi za pakiranje i produžava rok trajanja jer smanjuje oksidativno kvarenje hrane.
Osim uloge u proizvodnji amonijaka i drugih dušikovih spojeva, dušik je uključen u stvaranje i transformaciju drugih plinova. Na primjer, metan Može nastati biološkim procesima (mikrobna metanogeneza) ili industrijskim kemijskim reakcijama poput Sabatierove reakcije (redukcija CO₂ s H₂ da bi se dobili CH₄ i H₂O). Ovi putovi djelomično objašnjavaju prisutnost i podrijetlo određenih atmosferskih plinova u različitim kontekstima.
Drugo, dušik se koristi za proizvodnju drugih važnih spojeva kao što su određeni dušikovi oksidi (NOx), dušična kiselina (HNO₃) i brojne tvari uključene u proizvodnju eksploziva, boje, lijekovi i visokoučinkovita gnojiva. Ove industrijske i kemijske upotrebe pokazuju važnost dušika izvan njegove puke prisutnosti u zraku.
Učinci dušika na zdravlje
Dušik, kakav se nalazi u zraku koji udišemo (N₂), je u principu netoksičan i ispunjava funkciju razrjeđivanja kisika, sprječavajući da postane previše koncentriran i uzrokuje prekomjerne oksidativne reakcije u tijelu. Međutim, neizravna potrošnja Dušikovi spojevi iz gnojiva, prerađene hrane ili proizvoda dobivenih od dušika mogu imati određene učinke na Ljudsko zdravlje.
S obzirom na široku upotrebu dušična gnojiva u poljoprivredi i prisutnost dušičnih tvari u plastika, dodaci hrani i drugih proizvoda, ljudi mogu biti izloženi oblicima dušika koji nisu toliko bezopasni kao atmosferski N₂. Posebno, neki spojevi kao što su nitriti y nitrati, kao i nitrozamini koji se od njih mogu formirati, bili su predmet proučavanja zbog njihovih mogućih negativnih učinaka.
Neki od učinaka mogu biti sljedeći:
- To uzrokuje niska razina pohrane u tijelu vitamin A kada se određeni dušikovi spojevi konzumiraju u prekomjernoj količini.
- Može uzrokovati smanjen transport kisika u krvi, posebno kada se tvari poput methemoglobin od nitrita.
- Ubrzati proizvodnju nitrozaminikoje se smatraju jednom od glavnih komponenti povezanih s razne vrste rakaposebno kada se nitriti kombiniraju s organskim spojevima pod određenim uvjetima.
- To je odlučujući faktor za određene promjene u funkciji štitnjače kada je izloženost nitratima i drugim spojevima visoka i dugotrajna.
Uz ove neizravne kemijske učinke, važno je zapamtiti da dušik u obliku N₂, iako nije toksičan, može djelovati kao jednostavni zagušljivi plin ako istiskuje kisik u zatvorenom prostoru. U industrijskim okruženjima gdje se čisti dušik koristi za stvaranje inertnih atmosfera, nedostatak kisika može dovesti do hipoksija i gubitak svijesti ako se ne poduzmu odgovarajuće sigurnosne mjere.
Razumijevanje da atmosferom dominira dušik, a zatim slijedi kisik, argon i drugih plinova u manjim količinama, omogućuje bolje razumijevanje načina na koji se održavaju Vida, klima i biogeokemijski ciklusi planeta. Uloga dušika kao najzastupljenijeg plina proteže se od temeljne kemije i molekularne biologije do industrije, poljoprivrede i javnog zdravstva, što ga čini jednim od najvažnijih elemenata za funkcioniranje Zemlje.