空気って何からできてるの?地球を満たす気体について

中1理科
空気の組成

とてもありがたいことに、地球は空気で満ち溢れています。地球の周りを、分厚い大気が覆っています。

地球をとりまく空気
地球を覆っている大気の層
https://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/atmosphere.html

大気が地球を覆っているおかげで、私たちは生きています。空気なくして、動物や植物は生きていくことができません。


地球は重力が比較的強いので、大気を常に地球の周りに引きつけ、宇宙に逃さないようにできます。


水星や月など、重力が小さな星では大気を引きつけられないので、空気がありません。

今日は、そんな大切な空気について詳しく学んでいきましょう。

窒素と酸素が、空気の主な構成要素

地球に満ち溢れる空気、そのほとんどが窒素酸素でできています。


約78%が窒素、約21%が酸素。その他が 約1% です。

地球上の空気に占める気体の体積の割合
空気中の気体の体積の割合 (水蒸気を除く)。

「その他」で有名な気体は、なんといっても二酸化炭素。地球温暖化の原因だといわれて悪者にされてしまう二酸化炭素ですが、空気中にはわずか 約0.04% しか存在していないのです。

空気中に占める二酸化炭素の割合
二酸化炭素は、空気中にわずか 0.04%

窒素とは?

地球上の空気の体積の 約78%と、圧倒的にたくさん含まれているのが窒素


あまり身近には感じない気体ですが、液体窒素が有名かもしれません。


バラを液体窒素に沈めれば一瞬で凍ってしまい、握るだけでガラスのように砕けます。

via GIFMAGAZINE

液体窒素とはその名の通り、ふつうは気体であるはずの窒素を冷やして液体にしたものです。約マイナス196度まで冷やすと、窒素は液体になるのです。


目の前の空気を冷やして「液体空気」にして、そこから「液体窒素」を取り出して作っています。

液体窒素は、

  • 生物や体液の保存
  • 機械の冷却

など、急速に冷やす必要がある場合によく利用されています。


窒素は空気中の78%を占める気体なので、液体窒素はとても安くたくさん作れるのです。


しかも酸素のように物を燃やす性質もなく、比較的安全に利用できるところも特長です。

なぜ窒素はこんなにたくさんあるのか?

46億年前、生まれたばかりの地球上には酸素はほとんどなく、水蒸気二酸化炭素が主な空気中の気体で、他に少しの窒素があったようです。

隕石がたくさんぶつかるような、マグマに溢れた火の玉のような星だったと言われています。

46億年前の地球
46億年前の地球イメージ。水蒸気と二酸化炭素と窒素が多い
https://www.sutori.com/item/earth-4-6-billion-years-ago-773f

地球が生まれて3億年ほど経過すると、徐々に地球が冷えてきます。地球が冷えると、大気中の水蒸気は水になり、大雨が何万年も降り続けました。


こうして海が誕生しました。


その後、二酸化炭素はどんどん海に溶けていきましたが、窒素だけがたくさん大気中に残ることになりました。

地球の大気中に窒素がたくさんある理由

窒素は水に溶けにくく、他の物質とあまり反応しないため、太古の昔から現代までずっと空気中に残り続けています。

例えばポテトチップスなど食品の袋や缶飲料などには、窒素が注入されています。


袋や瓶の中に空気が充満していると、空気中の酸素と食品が反応して味が落ちてしまいます(酸化)。

ポテチに入れる窒素

そこで、空気の代わりに窒素を入れて品質を保つわけです。


空気中に大量にあふれているし、他の物質と反応しにくく、全くの無害。


窒素はとても便利な気体です。

植物と酸素の誕生

大気の 約21% を占めている酸素は、植物の誕生により増えていきました。

光合成により、二酸化炭素を吸って酸素を出す植物は、さらに大気中の二酸化炭素を減らし、そして酸素を生み出していきました。

生物の光合成により、地球に酸素が供給された

地球誕生から46億年、こういった流れが進んでいった結果、現在の大気の割合になっています。

ここ数百年の技術発展により、大気中の二酸化炭素の量はとても多くなっています。


特に18世紀(1700年代)に始まった産業革命により、エネルギー源として石炭をたくさん利用するようになり、二酸化炭素がたくさん排出されるようになりました。

蒸気機関車

その結果、産業革命後から急激に空気中の二酸化炭素の量が増えてきています。


以下のグラフを見ると、その影響が分かります。

大気中の二酸化炭素濃度推移
地球環境研究センター

現在、大気中の二酸化炭素濃度はたった 0.04% となっていますが、それでも多くなりすぎたくらいです。


もちろん、二酸化炭素は温室効果のある気体であるため、これがそのまま地球温暖化問題につながってきます。

気体発見の歴史

人類ははるか昔からずっと、「空気は、空気という単体の物質だ」と考えていました。まさか、空気が窒素や酸素などという、さまざまな気体からできているなんて思いもしなかったわけです。


人類は、2,000年以上も前からずっと同じような考えでしたが、1700年代ごろより、空気(気体)の研究が盛んになってきました。

気体発見の歴史

科学者たちは次々と、空気を作る気体を発見していったのです。


今までは、「空気」という漠然としたことしか分かっていませんでしたが、「窒素」「酸素」「二酸化炭素」など、細かいことが分かるようになり、様々な技術に応用できるようになりました。


このように、理科の中でも、特に化学では、「あらゆる物質は、何からできているのか?どんな反応をするのか?」を学んでいきます

化学を学び、「あらゆる物質は、何からできているのか?」を知ることはとても大切です。今回は、「空気は何からできているのか?」を学びましたよね。


例えば昔の人は、

「地球上の全ての物質が何からできているのか知ることができれば、自分の力で金(ゴールド)が無限に作れる!そうなれば大儲けだ!」

と考え、


「世界中の物質が何からできているのか」

「何と何を合わせると、どんな物質ができるのか」


を熱心に研究しました。


金(ゴールド)になれる材料を見つけ出すためです。

錬金術で発展した化学

これこそが、何百年もの化学の発展を支えた、錬金術です。


結局、金(ゴールド)は人間では作り出せないことがわかりましたが、その過程での研究は、医学や製造業などの分野で、今の人類に不可欠な知識を与えてくれているのです。


生活に溢れているプラスチックも、今では石油(ナフサ)から人間が自由に作り出せるようになった物質です。

これももちろん、化学の発展のおかげ。化学とは、そんな学問です。

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