A les capes baixes de l’atmosfera, l’aire perfectament sec té, a 0°C i a 760 mm de pressió, amb variacions mínimes, la següent composició en volum: nitrogen 78,084%, oxigen 20,946%, argó 0,934%, diòxid de carboni 0,033%, altres gasos rars 0,002%. Durant molts segles l’aire fou considerat un element. Les primeres proves que era una substància complexa foren donades per John Mayow (1674). La presència de petites quantitats de diòxid de carboni fou establerta per Joseph Black (1755). Pel que fa a la natura de l’aire, Lavoisier demostrà (1774) que és format per nitrogen i oxigen. La primera determinació quantitativa correcta de la proporció d’oxigen en l’aire fou efectuada cap al final del s. XVIII per Antoni de Martí i Franquès. Mitjançant un mètode eudiomètric perfeccionat per ell, precursor de la bureta de Hampel, Martí i Franquès trobà que la composició volumètrica de l’aire atmosfèric era de 79 parts de nitrogen i 21 d’oxigen (aire vital, a l’època) sense arribar a 22, rectificant així els valors acceptats per altres investigadors: 28% Lavoisier, 20-25% Priestley, 24-30% Scheele, 25% Senebier i 20% Cavendish. Martí i Franquès comprovà per primera vegada la constància d’aquesta proporció en diferents llocs i èpoques de l’any, i en diverses circumstàncies de vents, estat atmosfèric, temperatura, pressió, etc. Aquestes investigacions foren donades a conèixer en una memòria llegida el 12 de maig de 1790 a l’Acadèmia de Ciències Naturals i Arts de Barcelona, de la qual Martí era membre, titulada Sobre la cantidad de aire vital que se halla en el aire atmosférico y sobre varios métodos de conocerla, publicada més tard en el Memorial Literario de Madrid l’any 1795 i traduïda posteriorment en el Philosophical Magazine de Londres l’any 1801, en el Journal de Physique, de Chimie et d’Histoire Naturelle de París, el mateix any, i en els Gilberts Annalen de Berlín el 1805. La presència, a l’aire, de substàncies inertes altres que el nitrogen havia estat indicada per una experiència de Cavendish (1785) i fou establerta d’una manera precisa per Rayleigh (1892) en constatar que el “nitrogen” provinent de l’aire era més dens que el provinent de l’amoníac. Aquesta observació portà a la descoberta de l’argó, feta per William Ramsay (1894), i seguidament a la dels altres gasos nobles, presents a l’aire en molt petites quantitats. L’aire de les capes més baixes de l’atmosfera conté normalment, en quantitats petites i molt variables, un gran nombre d’altres gasos o vapors, considerats com a impurs, principalment ozó, aigua oxigenada, òxids de nitrogen, amoníac, òxid de carboni, hidrogen, hidrocarburs i composts de sofre. A més, hi ha també normalment microorganismes i sòlids en forma de pols, entre els quals, prop de la mar, clorur de sodi.
Mesurament de les variacions en l’estat de l’aire
Malgrat que l’aire és una mescla de composició no absolutament fixa, a causa de la seva importància pràctica, les seves propietats físiques han estat determinades amb la més gran cura. El volum d’un mol d’aire a condicions crítiques pren el nom de volum crític. El càlcul de la densitat D de l’aire sec a la temperatura T i pressió P a partir de la densitat Do a les condicions To i Po és obtingut de la fórmula D = Do(To/T)(P/Po). Si l’aire és saturat d’humitat, la densitat D en g/dm3 ve donada per la fórmula semblant: D = 1,2929×(273,13/T)(Pb+Pe-Ps/760)+ζ on T és la temperatura absoluta, Pb la pressió baromètrica en mm de Hg, Pe la pressió estàtica de l’aire en mm de Hg, Ps la pressió de saturació del vapor d’aigua a la temperatura T en mm de Hg, ζ la densitat del vapor d’aigua saturat a la temperatura T en g/dm3. Si l’aire no és saturat caldrà multiplicar Ps i ζ per la humitat relativa de l’aire. El coeficient d’expansió a pressió constant és, per a temperatures compreses entre 0 i 100°C i per a una pressió de 760 mm de Hg, de 0,003670 per °C i unitat de volum. El coeficient d’expansió a volum constant és, per les mateixes condicions, de 0,003665 per °C i unitat de pressió.
Les propietats de l’aire com a aïllant elèctric
Les propietats de l’aire com a aïllant elèctric varien molt segons la densitat i la temperatura. A la pressió atmosfèrica de 760 mm de Hg i a 25°C de temperatura té una rigidesa de 31 kV de cresta per cm. Quan és oclòs dins un altre aïllant disminueixen les qualitats d’aquest. Una de les seves aplicacions com a aïllant és quan està comprimit, i és emprat en condensadors d’alta tensió, generadors electroestàtics, etc. La tensió màxima de guspira es troba entre les 18 i 20 atm de pressió. Des del punt de vista químic compten sobretot en l’aire els dos components principals. No obstant això, atesa la seva relativa inèrcia química, el paper del nitrogen —excepte a alta temperatura— és sobretot de moderador de l’oxigen. Hom pot dir, doncs, que les propietats químiques de l’aire són les de l’oxigen, amb la intensitat que correspon a la seva pressió parcial en la mescla. És únicament l’oxigen el que intervé químicament en la respiració de les plantes i dels animals. Malgrat tot, cal no oblidar la importància biològica del nitrogen i del diòxid de carboni (fixació del nitrogen per microorganismes, fotosíntesi de les plantes verdes), ni tampoc la importància, a molts efectes, de la presència de vapor d’aigua. Les aplicacions industrials de l’aire poden classificar-se en cinc grups: la seva utilització universal com a comburent, a causa de l’oxigen que conté; les seves aplicacions pneumàtiques, és a dir, en forma d’aire comprimit (en les quals la seva composició química no fa cap paper); la seva utilització, per destil·lació fraccionada de l’aire líquid, en tant que font inesgotable i gratuïta dels seus principals components (nitrogen i oxigen) i també dels gasos rars (ja que, amb l’excepció de l’heli, no es troben enlloc més); la seva utilització en la indústria química com a oxidant, a causa de l’oxigen que conté (bé que moltes vegades resulta interessant d’utilitzar oxigen pur, són també molts els casos en què això no és justificat ni tècnicament ni des del punt de vista econòmic); i la seva utilització, en forma líquida, com a refrigerant.
Propietats físiques de l’aire
| Propietat | Magnitud |
|---|---|
| pes molecular | 28,964 |
| densitat (a 760 mm Hg) | |
| aire sec a 20ºC | 1,204 |
| aire atmosfèric a 15ºC | 1,2250 |
| punt triple | -140,7ºC a 37’2 atm |
| calor específica (a 0ºC i 760 mm Hg, en cal/gºC) | |
| a pressió constant | 0,237 |
| a volum constant | 0,169 |
| entalpia (a 23ºC i 20 atm) | -0,5 cal/g |
| conductivitat tèrmica (a 23ºC i 20 atm) | 63 × 10-6 cal/cm·s·K |
| viscositat (a 23ºC i 20 atm) | 184 × 10-6 cal/cm·s |
| constant dielèctrica (a 0ºC i 1 atrm) | 1,000590 |
| índex de refracció | 1,000 292 6 |
La pol·lució de l’aire
L’aire natural no és pur gairebé mai: sol acollir diverses substàncies contaminants. La pol·lució de l’aire per efecte de la pols, el fum, els gasos, etc., pot ésser ocasionada per causes naturals (erupcions volcàniques, incendis forestals, dispersió de pol·len i bacteris, pols provinent de l’espai exterior, etc.) o bé a conseqüència de l’activitat humana. Les fonts més importants de pol·lució són: la combustió de carbó i hidrocarburs, la incineració d’escombraries, els processos industrials, l’ús de plaguicides agrícoles, etc., que poden enviar a l’aire productes sòlids —pols, fums, ciment—, en part formant aerosols; gasos —principalment diòxids de carboni i de sofre, monòxid de carboni, òxid nítric, àcid sulfúric—, i líquids, generalment a l’estat de vapor. Aquestes substàncies resten suspeses a l’aire fins que, per l’acció de la gravetat, o bé emportades per la pluja o la neu, cauen a terra o queden fixades irreversiblement. A la fase de suspensió poden ésser transportades pels vents a distàncies considerables. La pol·lució de l’aire és molt important a les grans aglomeracions urbanes, la situació topogràfica de les quals facilita l’estancament de l’aire, per una inversió de temperatures, i la pol·lució d’un dia s’acumula a la de l’anterior. En certes condicions, els hidrocarburs evacuats amb els gasos residuals dels automòbils es combinen amb els òxids de nitrogen en una cadena de reaccions, activades per la radiació solar, de les quals resulten ozó, àcid sulfúric i gran quantitat de substàncies sòlides que queden com aerosols, la qual cosa és la causa de l’enterboliment de l’aire i els seus efectes nocius contra la salut. L’acció de la pol·lució de l’aire sobre l’organisme humà és causa de trastorns cardíacs i respiratoris greus i de l’augment estadístic del càncer de pulmó, la freqüència del qual és correlativa amb la concentració de certs productes resultants de les combustions del carbó i dels carburants en els motors d’explosió. A l’ambient industrial hom observa afeccions de caràcter tòxic relacionades directament amb l’ús de determinats materials, que d’una manera o altra es troben a l’aire. Els efectes econòmics de la pol·lució de l’aire són importants. A part de les pèrdues per malaltia, cal comptar la disminució de les collites, el baix rendiment d’explotacions agropecuàries, la corrosió de les estructures metàl·liques, etc., que comporten pèrdues considerables. A la majoria dels països ha estat establerta la lluita contra la pol·lució de l’aire i el seu control mitjançant laboratoris d’anàlisi adequats.