空气成分的测定

本节微课从学生熟悉的唐代诗人李峤的诗《风》入手，循序渐进，由浅入深，将主要内容和延伸的内容囊括其中，适合学生自学。 2100433B

空气成分的测定是初中学生接触化学需要探究的第一个内容，也是重点内容。学生学习起来有一定的难度，而通过微课的学习，重点突出，难点突破，轻松愉快很多。

井下空气的主要来源是地面空气（大气），它是由多种气体组成的干空气和水蒸汽组合而成的混合气体。通常状况下，干空气各组分的数量基本不变（表1-1-1）。在混合气体中，水蒸汽的浓度随地区和季节而变化，其平均浓度约为1 %；此外还含有尘埃和烟雾等杂质 。

表1-1-1 干空气主要成分

为便于测量与计算，气体的浓度一般按体积百分计，如无特殊说明，以下均指体积浓度。

地面空气进入矿井以后，由于受到污染，其成分和性质要发生一系列的变化，如氧浓度降低，二氧化碳浓度增加；混入各种有毒、有害气体和矿尘；空气的状态参数（温度、湿度、压力等）发生改变等。一般来说，将井巷中经过用风地点以前、受污染程度较轻的进风巷道内的空气称为新鲜空气（新风）；经过用风地点以后、受污染程度较重的回风巷道内的空气，称为污浊空气（乏风）。矿内空气主要成分除氧气（O₂）、氮气（N₂）、二氧化碳（CO₂）、水蒸汽（H₂O）以外，还混入大量的有害气体，如瓦斯（CH₄）、一氧化碳（CO）、硫化氢（H₂S）、二氧化硫（SO₂）、二氧化氮（NO₂）、氨气（NH₃）、氢气（H₂）和矿尘等。

矿内空气氧气（O2）

氧气是无色、无臭、无味、无毒和无害的气体，比重为1.105。矿内氧气来源于进入矿井的地面大气所固有的含量。由于矿内各有机物（木材、支架等）和无机物（矿物、岩石）的氧化，矿物自燃，矿井火灾，以及瓦斯、煤尘爆炸等，都要直接消耗氧气，此外，井巷内不断放出的各种有害气体，也相对的降低氧气的浓度。

当空气中的氧浓度降低时，人体就可能产生不良的生理反应，出现种种不舒适的症状，严重时可能导致缺氧死亡。人体缺氧症状与空气中氧浓度的关系如表1-1-2所示.。

表1-1-2 人体缺氧症状与空气中氧浓度的关系

造成矿井空气中氧气浓度降低的主要原因有：人员呼吸；煤岩和其他有机物的缓慢氧化；煤炭自然；瓦斯、煤尘爆炸。此外，煤岩和生产过程中产生的各种有害气体，也使空气中的氧气浓度相对降低。所以，在井下通风不良的地点，空气中的氧气浓度可能显著降低，如果不经检查而贸然进入，就可能引起人员的缺氧窒息。

《煤矿安全规程》（以下简称《规程》）规定，采掘工作面的进风流中氧气浓度不得低于20 %。为此，必须对矿井进行不断的通风，将适量的新鲜空气源源不断地送到井下。这是矿井通风最基本的任务之一。

矿内空气氮气（N2）

氮气是无色、无味、无臭的惰性气体，是新鲜空气中的主要成分，对空气的相对密度为0.97，它本身无毒、不助燃，也不供呼吸。在正常情况下，氮气对人体无害，但空气中若氮气浓度升高，则势必造成氧浓度相对降低，从而也可能导致人员的窒息性伤害。在废弃的旧巷或隔离着的火区内，可积存大量的氮，使氧浓度相对地减少，使人因缺氧而窒息。正因为氮气为惰性气体，因此又可将其用于井下防灭火和防止瓦斯爆炸。

矿井空气中氮气主要来源是：井下爆破和生物的腐烂，有些煤岩层中也有氮气涌出。

矿内空气二氧化碳（CO2）

二氧化碳是无色略带酸臭味的气体，对空气的相对密度为1.52，是一种较重的气体，很难与空气均匀混合，常积聚于巷道的底部、井筒和下山的掘进迎头，在静止的空气中有明显的分界。二氧化碳不助燃也不能供人呼吸，易溶于水，生成碳酸，使水溶液成弱酸性，对眼、鼻、喉粘膜有刺激作用。在新鲜空气中含有微量的二氧化碳对人体是无害的，它对人的呼吸有刺激作用，如果空气中完全不含有二氧化碳，人体的正常呼吸功能就不能维持。当肺泡中二氧化碳增多时，能刺激人的呼吸神经中枢，引起呼吸频繁，呼吸量增加，所以在急救受有害气体伤害的患者时，常常首先让其吸入含有5 %二氧化碳的氧气以加强呼吸。但当空气中二氧化碳的浓度过高时，也将使空气中的氧浓度相对降低，轻则使人呼吸加快，呼吸量增加，严重时也可能造成人员中毒或窒息。空气中二氧化碳对人体的危害程度与浓度的关系如表1-1-3所示。

表1-1-3 二氧化碳中毒症状与浓度的关系

二氧化碳的主要来源有：有机物的氧化；人员的呼吸；煤和岩石的缓慢氧化，以及矿井水与碳酸性岩石的分解作用；爆破工作，矿内火灾，煤炭自燃以及瓦斯、煤尘爆炸时，也能产生大量二氧化碳。此外，有的煤层或岩层能长期连续放出二氧化碳，甚至有的煤层在短时间内大量喷出或与大量煤粉同时喷出二氧化碳。发生这种现象时，往往会造成严重破坏性事故。例如吉林省营城煤矿五井，在1976年6月曾发生一次CO₂和岩石突出，突出岩石1005 t，CO₂11000 m。法国也曾发生过CO₂突出的事故。

《规程》规定：采掘工作面的进风流中，二氧化碳不超过0.5 %。采区回风巷和采掘工作面回风巷回风流中二氧化碳浓度达到1.5 %时，必须停止工作，撤出人员，查明原因，制定措施，进行处理。总回风巷或一翼回风巷中，二氧化碳超过0.75 %时，必须查明原因，进行处理。

空气的成分以氮气、氧气为主，是长期以来自然界里各种变化所造成的。在原始的绿色植物出现以前，原始大气是以一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氨为主的。在绿色植物出现以后，植物在光合作用中放出的游离氧，使原始大气里的一氧化碳氧化成为二氧化碳，甲烷氧化成为水蒸气和二氧化碳，氨氧化成为水蒸气和氮气。以后，由于植物的光合作用持续地进行，空气里的二氧化碳在植物发生光合作用的过程中被吸收了大部分，并使空气里的氧气越来越多，终于形成了以氮气和氧气为主的现代空气。 　空气是混合物，它的成分是很复杂的。空气的恒定成分是氮气、氧气以及稀有气体，这些成分之所以几乎不变，主要是自然界各种变化相互补偿的结果。空气的可变成分是二氧化碳和水蒸气。空气的不定成分完全因地区而异。例如，在工厂区附近的空气里就会因生产项目的不同，而分别含有氨气、酸蒸气等。另外，空气里还含有极微量的氢、臭氧、氮的氧化物、甲烷等气体。灰尘是空气里或多或少的悬浮杂质。总的来说，空气的成分一般是比较固定的。