Composizione dell’aria: quello che c’è da sapere

Vuoi conoscere la composizione dell’aria ma ti sei perso tra termini e formule incomprensibili?

Se la tua ricerca è dettata da esigenze di studio o se vuoi semplicemente soddisfare una curiosità, questa pagina fa al caso tuo.

Che tu sia uno studente universitario iscritto ad uno degli indirizzi ingegneristici o un semplice curioso desideroso di arricchire il proprio bagaglio di conoscenze ‘chimiche’ ti suggeriamo di continuare a leggere; l’Università Telematica Niccolò Cusano di Livorno ha realizzato una breve guida che spiega in maniera chiara e semplice la composizione dell’aria.

Da cosa è composta l’aria

Prima di analizzare nel dettaglio la composizione dell’aria è d’obbligo capire di cosa stiamo parlando.

L’aria può essere definita come una miscela di gas che costituisce l’atmosfera terrestre; essa presenta le seguenti caratteristiche:

• Inodore
• Incolore (per piccoli spessori)
• Insapore
• trasparente

La composizione non è costante ma varia a seconda della quota e quindi della concentrazione di impurità e componenti secondari: all’aumentare dell’altezza, ad esempio, diminuiscono i gas pesanti e aumentano quelli più leggeri come l’elio.

La composizione varia anche in base all’umidità quindi può risultare diversa da un luogo a un altro.

Prendiamo in considerazione l’aria secca (o pura), ossia senza impurità e vapore acqueo, che si trova a livello del mare (bassa atmosfera); la composizione in tal caso risulta essere la seguente:

• 78,084% di azoto (N₂)
• 20,9476% di ossigeno (O₂)
• 0,934% di argon (Ar)
• 0,0314% di anidride carbonica
• altri componenti in quantità minori: neon, elio, Krypton, Xenon, Idrogeno, Monossido di azoto, Ozono, Metano, Biossido di zolfo, Biossido di azoto, Ammoniaca, Monossido di carbonio, Iodio.

L’azoto e l’ossigeno sono quindi i due gas presenti in quantità maggiori mentre molti dei componenti presenti in quantità minori derivano dal suolo, dal mare e dalle attività industriali e ne rappresentano le impurità.

L’azoto è presente nell’aria sotto forma di molecole, ognuna delle quali è composta a sua volta da due atomi di azoto legati tra loro (N₂).
Per la respirazione umana l’azoto non risulta essere fondamentale in quanto viene immesso nei polmoni insieme all’ossigeno ed espulso senza modifiche.
Risulta invece indispensabile per la produzione di proteine, costituenti essenziali per tutti gli esseri viventi.

L’ossigeno è presente nell’aria sotto forma di molecole, ognuna delle quali composte da due atomi legati tra loro (O₂). A differenza dell’azoto risulta indispensabile per la respirazione e di conseguenza per la vita di ogni essere vivente presente sulla terra.
L’ossigeno e le sostanze assimilate attraverso il cibo vengono bruciati e trasformati in energia.

Pur essendo presente in quantità minime (appena lo 0,03%) anche l’anidride carbonica svolge un ruolo vitale; essa si combina con l’idrogeno dell’acqua provocando il processo fotosintetico il quale oltre a produrre le sostanze necessarie per la vita delle piante, e di tutti gli esseri viventi, libera nel contempo ossigeno.

Bisogna inoltre aggiungere che l’anidride carbonica, essendo trasparente ai raggi del sole ma in grado di assorbire la radiazione termica emessa dalla superficie terrestre, evita la dispersione di energia e regola la temperatura della Terra.

Peso molecolare

Il peso molecolare di una qualsiasi sostanza altro non è che il risultato dato dalla somma delle masse atomiche di tutti gli atomi componenti la molecola.

Nello specifico il peso molecolare dell’aria secca è dato dalla media pesata dei gas presenti in misura maggiore (azoto, ossigeno e argon).

Ecco di seguito la formula per il calcolo:

N₂ (78%) + O₂ (21%) + Ar (1%) = 21,84 + 6,72 + 0,40 = 28,96 g/mol

Massa molecolare e peso molecolare sono numericamente equivalenti; ciò che cambia è l’unità di misura, che per il primo dato è g/mol mentre per il secondo è PM.

Densità

La densità dell’aria è data dal rapporto tra la massa, l’aria e il volume che essa occupa.

Per quanto riguarda l’aria secca il valore stimato è pari a 1,225 kg/m³; le condizioni per le quali il parametro risulta esatto sono: assenza di umidità, temperatura di 15°, livello del mare, pressione pari a 1 atmosfera.

È facile dedurre a questo punto che il valore della densità dell’aria dipende da 3 fattori: temperatura, pressione e umidità.

Ad esempio, quando la pressione diminuisce cala anche la densità dell’aria; quando la temperatura e l’umidità diminuiscono aumenta la densità dell’aria.

La densità è un valore fondamentale per la meteorologia: differenze di densità causano differenze di pressione dalle quali dipendono i venti e i loro spostamenti.

Calore specifico

Nel corso di questo post abbiamo più volte parlato di aria secca, ossia di aria priva di impurità e di vapore acqueo.

La concentrazione di vapore acqueo nell’aria può variare dallo 0 al 4%; più nel dettaglio la concentrazione aumenta man mano che ci si avvicina alla superficie terrestre mentre è quasi assente oltre i 10 Km di quota.

L’aria che respiriamo contiene quantità variabili di vapore acqueo e di impurità: il primo elemento proviene dall’evaporazione di mari, fiumi, laghi e dalle varie attività umane; il secondo elemento deriva essenzialmente dalle attività umane.

La premessa è d’obbligo per definire il concetto.
Il calore specifico dell’aria indica la quantità di calore necessaria a un Kg d’aria per subire una variazione di temperatura pari a un’unità kelvin.

Il valore in analisi dipende dalla temperatura della massa d’aria, dalle pressione dell’ambiente circostante e dal tasso di umidità.

Il calore specifico può essere espresso sia in J/(g x °C) e sia in cal/(g x °C).