Aria

      

L'aria è l'insieme dei gas che avvolgono il nostro pianeta e vi aderiscono per effetto della gravità. La sua composizione è variabile in base a diversi fattori, tra cui l'altitudine e le immissioni di gas che vengono fatte in essa. In questa pagina vengono elencate alcune proprietà che caratterizzano questa miscela gassosa:

• Proprietà dell'aria atmosferica.
• Importanza biologica dell’aria.
• Importanza tecnologica dell’aria.
• Aria liquida.
• Gas nobili.
• Effetto serra.
• Inquinamento dell’aria.

Proprietà

      

Mediamente i gas, i vapori e le sospensioni particellari che la costituiscono si trovano secondo le proporzioni percentuali (in volume) elencate nella tabella seguente. Questa si riferisce ad aria secca, cioè privata del vapore acqueo, perché questo si trova in proporzioni troppo variabili con la località, col tempo e con la temperatura.

Composizione media dell'aria secca
Componenti	Volume %
azoto	78,09
ossigeno	20,95
argo	0,92
anidride carbonica	0,035
idrogeno	0,01
neon	0,0016
elio	0,0005
metano	0,0002
kripto	0,0001
xeno	0,00006

Vicino alla superficie terrestre (livello del mare) un litro d'aria pesa in media 1,29305 g a 0°C e a 760 Torr (1 atm) . La composizione percentuale media dell'aria, sempre a livello del mare, è la seguente:

75,3% N₂
23% O₂
0,26% H₂O (vapore)
0,04% CO₂
1,4% He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn

La pressione a cui è sottoposta l'aria è determinata per ogni strato dagli strati che la sovrastano, pertanto essa va decrescendo con legge non lineare al crescere dell'altitudine. A livello del mare oscilla mediamente intorno a 101.325 Pa (1 atm o 1,01325 bar), per ridursi a 0,03 Pa a un'altitudine di 100 km.
L'andamento della densità è del tutto simile.
L'andamento della temperatura, invece, è molto complesso perché dipende dagli eventi che si verificano a varie quote e quindi dal diverso assorbimento della radiazione solare e dei raggi cosmici da parte delle molecole e ioni che popolano i vari strati.

Importanza biologica dell'aria

      

Tutti i componenti dell'aria, all'infuori dei gas nobili, sono fondamentali per la vita sulla Terra.
Il vapor d'acqua consente, tra l'altro, che gli esseri viventi non muoiano per progressiva disidratazione dei loro tessuti.
L'ossigeno, l'azoto e l'anidride carbonica vengono variamente utilizzati dagli animali e dalle piante: l'ossigeno attraverso la respirazione, l'azoto per nitrificazione del suolo agrario, da dove poi passa negli animali attraverso i vegetali.
L'anidride carbonica, infine, è il principale reagente della sintesi clorofilliana utilizzata dai vegetali. Gli stessi componenti dell'aria vengono restituiti all'ambiente alla fine d'una serie di cicli vitali.

Importanza tecnologica dell’aria

      

Anche dal punto di vista tecnologico molti componenti dell'aria rivestono un interesse grandissimo od almeno notevole.
Tutte le combustioni industriali, responsabili della massima parte dell'energia prodotta sulla Terra, sfruttano l'ossigeno dell'aria: tal quale o dopo averlo ottenuto puro.
L'ossigeno inoltre, come già visto, trova anche molti altri usi. L'azoto è un elemento base della moderna chimica industriale, soprattutto perché attraverso esso si producono l'ammoniaca, l'acido nitrico e i loro derivati. Esiste anche il problema di ottenere puri questi gas. Allo scopo dopo averla essiccata e privata dell'anidride carbonica (per gorgogliamento in soda caustica, che reagendo con CO₂ si trasforma in Na₂CO₃), l'aria viene fortemente compressa, raffreddata e poi lasciata espandere. In tal modo condensa, originando un liquido trasparente e bluastro: l'aria liquida.

Aria liquida

      

L'aria liquida ha proprietà fisiche particolari data la sua bassa temperatura. Non può essere conservata in recipienti chiusi se non sotto enormi pressioni e buon isolamento termico. Si può tenere in recipienti isolati ma aperti solo per qualche ora o per qualche giorno, a seconda della quantità. Essa infatti è soggetta a continua ebollizione. I suoi vapori fumano all'aria perché, per l'abbassamento di temperatura che provocano, fanno condensare il vapor d'acqua e l'anidride carbonica presenti nell'ambiente. Tutti i liquidi a temperatura ambiente, immersi in aria liquida, si solidificano e i solidi (legno, piante) vi divengono fragilissimi. I metalli poi, a contatto con l'aria liquida, diventano superconduttori.

L'aria liquida è una miscela d'azoto, d'ossigeno e di gas nobili. Se questi non vengono espressamente ricuperati, ritornano nell'aria normale durante i cicli di utilizzazione dell'azoto e dell'ossigeno, perché essi non entrano in combinazione.
Del loro ricupero tratteremo dopo, mentre per ora li trascuriamo. In un contenitore aperto la temperatura dell'aria liquida è di circa 195°C, punto d'ebollizione dell'azoto liquido. Una tale temperatura resta pressoché costante, mentre l'azoto si trasforma lentamente in vapore (il fenomeno appare proprio come un processo d'ebollizione, nonostante la temperatura estremamente bassa a cui si verifica).
Così è possibile ottenere azoto ad alto grado di purezza, adatto per sintesi chimiche industriali.
La temperatura d'ebollizione dell'aria liquida, una volta che è rimasto l'ossigeno praticamente puro, si alza verso i -182 °C, punto d'ebollizione dell'ossigeno. Così questo può, a sua volta, essere raccolto quasi puro.
L'aria liquida si conserva in enormi bottiglie isolanti (vasi Dewar ) con limitata apertura (non è possibile chiudere i contenitori se non sotto enormi pressioni o garantendo una efficiente refrigerazione che impedisca all'aria di evaporare).
L'aria liquida viene sfruttata pure nella tecnica dell'ottenimento delle basse temperature (richiesta ad es. nella tempra forte degli acciai) e, lasciata arricchire di ossigeno, l'aria liquida si impiega perfino nella fabbricazione di esplosivi.

Gas nobili

      

I gas nobili presenti nell'aria ( He, Ne, A, Kr, Xe, Rn) sono sei elementi chimici gassosi che a temperatura ordinaria, reagiscono con grande difficoltà data la loro particolare struttura elettronica.
I composti dei gas nobili che sono stati ottenuti, in singolari condizioni, in questi ultimi anni, sono poco stabili. Per questo motivo si continua ancora a parlare di gas inerti.

Le principali caratteristiche chimico-fisiche dei gas nobili sono schematizzate nella seguente tabella:

I gas nobili vengono ottenuti prevalentemente in America da varie sorgenti gassose naturali; più generalmente però si ricavano dall'aria. Lo schema sopra riportato prospetta il complesso dei trattamenti a cui dev'essere assoggettata l'aria per ottenerne i gas nobili.
L'elio si usa qualora occorra ancora riempire aerostati e palloni sonda (è un po' meno leggero dell'idrogeno, ma in compenso non è combustibile). Si usa anche in tubi luminescenti, dove fornisce una bella luce gialla; ma è soprattutto importante nella creazione di atmosfere isolanti e inerti in apparecchiature tecnico- scientifiche.
Il neon, portato all'incandescenza, dà una bella luce rosso-arancio, molto penetrante anche nella nebbia. Si usa perciò in insegne luminose.
L'argo è il più economico dei gas nobili, perchè è di gran lunga il più abbondante di tutti nell'aria.
L'argo, mescolato al 15% di azoto, serve per evitare la volatilizzazione, per sublimazione, dei filamenti delle lampadine elettriche.
L'argo poi dà luogo ad una gamma di colorazioni se viene reso incandescente: a meno di 1 Torr di pressione fornisce luce blu, a 5 Torr dà luce rossa e appena sopra i 10 Torr fornisce luce verde.
Il cripto e lo xeno danno, rispettivamente, luce verde bluastra e verde-violacea. Sono poi questi i gas nobili di cui si conosce finora il maggior numero di composti, preparati con speciali tecniche in laboratorio.
Il radon è molto scarso in natura, dove si forma dalle disintegrazioni radioattive e dove scompare tramutandosi, a sua volta, in altri elementi.

Effetto serra

      

L'ossigeno è presente negli strati bassi dell'atmosfera (troposfera e bassa stratosfera) come molecola biatomica, O₂. È il diossigeno che gli esseri viventi respirano e che alimenta le combustioni.
Nello strato alto della stratosfera, al confine con la mesosfera, è presente un sottile strato di ossigeno triatomico (ozono, O₃) che viene scisso dalla radiazione solare compresa tra 200 nm e 330 nm (UV ultravioletto) in diossigeno e monoossigeno:

Lo strato di ozono quindi assorbe la radiazione UV più energetica e lascia passare soltanto quella del vicino UV, del visibile e dell'IR (infrarosso). L'ozono dal canto suo, data l'instabilità dell'ossigeno monoatomico, si riforma e riemette sotto forma di calore l'energia assorbita prima:

Per questo motivo, a 50 km d'altitudine la temperatura è più alta di quella della bassa stratosfera e della mesosfera. Lo strato di ozono è distrutto da sostanze radicali che che originano dai fluoroclorocarburi e dagli scarichi dei jet.
Si sta formando ed estendendo per questo sull' Antartide il cosiddetto buco d'ozono, che è un evento catastrofico dalle conseguenze ancora non del tutto chiarite. Nella troposfera, il diossigeno partecipa a un ciclo che lo coinvolge insieme con il suo antagonista, il diossido di carbonio. Grazie alla fotosintesi clorofilliana:

esso viene restituito all'atmosfera, dalla quale viene prelevato per le combustioni e per la respirazione dei viventi, che danno CO₂ come prodotto. Altri equilibri secondari, quali l'assorbimento e il rilascio di CO₂ dalla componente basica della crosta terrestre o dalle acque in cui è solubilizzato, fanno sì che i tassi di O₂ e di CO₂ nell'atmosfera si mantengano costanti. Però ciò avviene a condizione che non ci si allontani eccessivamente da una situazione di saldo in pareggio; in parole povere, che non si distrugga indiscriminatamente il patrimonio forestale e boschivo e che non si facciano crescere oltre ogni limite le effusioni di CO₂ nell'aria.

Gli effetti dell'aumento del tasso di CO₂ sono legati al comporta- mento termico di questo gas. Le molecole di CO₂, trasparenti alla luce visibile, assorbono le radiazioni infrarosse (la radiazione termica) e le irradiano in tutte le direzioni. Pertanto il calore riemesso dal suolo terrestre e dalle superfici d'acqua verso lo spazio viene in parte bloccato da CO₂ presente e riemesso in ogni direzione, quindi in parte di nuovo sulla Terra. Il diossido di carbonio si comporta quindi come una superficie semiriflettente del tipo di quelle che si usano nelle serre. Questo effetto viene perciò definito effetto-serra ed è destinato a provocare un progressivo aumento della temperatura media del pianeta.

Possibili rimedi sono: salvaguardia e incremento su grande e piccola scala della vegetazione e limitazione delle immissioni di CO₂ nell'atmosfera.

Inquinamento dell'aria

      

I principali inquinanti dell'aria sono: il diossido di zolfo (SO₂); il monossido di carbonio (CO); gli ossidi d'azoto (NO e NO₂); l'ozono (O₃); i fumi. Il diossido di zolfo origina dalla presenza di impurezze contenenti zolfo che si accompagnano al petrolio e al carbon fossile; il metano invece ne è esente. Questo gas provoca malattie respiratorie, ma la sua dannosità non si limita a questo. Infatti, all'aria esso si ossida e si idrata per dare acido solforico:

Questo composto condensa sotto forma di microgocce che rimango- no sospese o vengono disciolte dall'acqua piovana rendendola forte- mente acida (piogge acide).
Queste precipitazioni, al suolo o nei bacini acquosi, provocano ingenti danni: defoliazione e morte delle piante, ossidazione e corrosione di strutture metalliche e lapidee, morìa di pesci e di altre forme di vita acquatiche.
Rimedi a valle all'azione devastante delle piogge acide non sono realizzabili, tenuto conto che esse si manifestano anche a notevole distanza dal luogo di formazione, a causa dell'azione di trasporto operata dai venti. L'unico rimedio è a monte: dotare i camini di sostanze basiche che assorbano SO₂ e utilizzare comunque camini molto alti che ne favoriscano una buona dispersione in grandi volumi d'aria. L'elevata temperatura che si raggiunge nelle combustioni provoca la formazione di CO, NO e O₃ a causa della endotermicità delle reazioni di formazione di questi composti.

Poiché quindi nelle condizioni operative gli equilibri sono spostati verso destra, è difficile intervenire per ridurre la produzione di questi inquinanti. È possibile invece sfruttare il loro diverso carattere: NO e O₃ sono ossidanti, CO è riducente. Tuttavia la reazione di ossidazione di CO ad opera di NO o di O₃ è lenta:

Il rimedio consiste quindi nel renderla veloce mediante l'uso di appropriati catalizzatori. La marmitta catalitica è un esempio di applicazione di questo espediente per contrastare l'inquinamento di origine veicolare.