Warum sinkt Kohlendioxid nicht in die Luft, wenn andere dichte Gase es tun?

Gase sind alle mischbar . Wenn sie anfänglich getrennt und benachbart sind, vermischen sie sich nicht sofort, aber sobald sie gemischt sind (ein Prozess, der durch molekulare Diffusion auftritt und durch makroskopisches Rühren oder Konvektion beschleunigt wird, genau wie bei Flüssigkeiten), entmischen sie sich nicht spontan.

Während der Zeit, bevor eine wesentliche Vermischung auftritt, verhalten sich Gase ungefähr so, wie Sie es sich für nicht mischbare Flüssigkeiten vorstellen, z. B. Wasser, das sich unter Öl absetzt. Wenn ein schweres Gas in reiner oder einigermaßen reiner Form (aus einer Art Reservoir) in eine Umgebung eingeführt wird , sinkt es zunächst ab und verdrängt leichtere Gase. Bei plötzlich eingebrachtem Kohlendioxid ist das eine echte Gefahr , nicht aber bei Kohlendioxid, das sich schon lange in der Atmosphäre befindet.

In der gemischten Gasphase variiert die Zusammensetzung mit der Höhe aufgrund der Gravitationspotentialenergie verschiedener Moleküle, aber alle Komponenten sind in allen Höhen vorhanden, und auf menschlicher Ebene ist die Variation gering. Im Gleichgewicht wird die vertikale Entfernung, über die sich die Dichte eines bestimmten Gases wesentlich ändert, als Skalenhöhe bezeichnet und beträgt ~8 km für Stickstoff, ~7 km für Sauerstoff und ~5 km für Kohlendioxid (unter Erdbedingungen). Selbst für Schwefelhexafluorid sind es ~1,5 km. Beim Abstieg werden alle Komponenten allmählich dichter, die schwersten am schnellsten.

Darüber hinaus befindet sich die Außenatmosphäre, wie in einem Kommentar erwähnt, nicht im Gleichgewicht, sondern weist viele turbulente Bewegungen auf, sodass selbst diese allmählichen Variationen der Zusammensetzung, die unter kontrollierten Bedingungen zu beobachten sind, unter natürlichen Bedingungen ausgewaschen werden .

Denn die strikte Trennung von Gasen erfolgt nur, wenn wir sie zunächst in reiner Form haben. Dann fällt aufgrund des Dichteunterschieds reiner Gasflüssigkeiten die dichtere nach unten (die Auftriebskraft ist nicht stark genug, um sie auf einer festen Höhe zu halten).

Wenn die Gassäule isoliert und auf konstanter Temperatur gehalten würde, würde sich jede einzelne Gasart darin schließlich entlang der gesamten Säule verteilen, wobei die Anzahldichte (Konzentration) mit der Höhe abnimmt$h$, je nach Funktion

Eine scharfe Trennung von Mischungen im molekularen Maßstab in reine Flüssigkeiten findet nicht statt. Schließlich erreichen einige leichtere Gase sogar die größte Tiefe des schwereren Gases, und auf jeder Höhe wird ein konstantes Mischungsverhältnis hergestellt.

Molekularer Stickstoff hat eine Masse von 28, während Sauerstoff eine Masse von 32 hat, also sagt (*) voraus, dass im Gleichgewicht die Sauerstoffdichte am Boden stärker variiert als die Stickstoffdichte. Es ist also der Sauerstoff, der dazu neigt, "niedriger zu bleiben".

[Bearbeiten] Wie in anderen Antworten angegeben, werden Gase im Gleichgewicht durch Diffusion vollständig gemischt. Die treibende Kraft für die Entmischung oder Vermischung, die in Flüssigkeiten der Unterschied in der Wechselwirkung zwischen gleichen und ungleichen Molekülen ist, fehlt. In einem Gas stoßen Moleküle nur zusammen und haften nicht aneinander. Für Moleküle mit unterschiedlichem Gewicht ergibt sich in einem Gravitationsfeld lediglich ein unterschiedliches Höhenprofil. Aus diesem Grund können auch Moleküle, die schwerer als Luft sind, die Ozonschicht erreichen. Außerhalb des Gleichgewichts können Gase getrennt werden. Eine solche Trennung kann durch Schwerkraft für Gase mit sehr unterschiedlichem Gewicht verstärkt werden.

N$_2$und o$_2$haben eine Masse von 28 bzw. 32 au. Bei Raumtemperatur und instabilen atmosphärischen Bedingungen ist dieser Unterschied zu klein für eine gravitative Entmischung. Dasselbe gilt für CO (28 au). CO$_2$wiegt jedoch 44 au und kann die Luft unter stagnierenden Bedingungen wie in Minen und Brunnen ersetzen. Außerdem ist mir nur ein fataler Vorfall bekannt, als ein übersättigter Kratersee in Kamerun plötzlich eine große Menge CO freisetzte$_2$. SF$_6$ist ziemlich schwer und wiegt 140 au, so dass es länger gravitativ getrennt bleibt. An schlecht belüfteten Orten stellt aus Beton austretendes radioaktives Radon (222 und 220 au) ein Risiko dar.

Die bisherigen Antworten scheinen alle den offensichtlichsten Grund übersehen zu haben: Schwerere Gase setzen sich im Allgemeinen nicht am Boden der Atmosphäre ab, weil die Atmosphäre ständig bewegt wird. Es ist das Ding namens Wetter.

Selbst in geschlossenen Räumen gibt es Temperaturunterschiede, sich bewegende Menschen und HLK-Systeme, die darauf ausgelegt sind, die Luft gemischt zu halten. Wenn Sie ein Gehäuse ohne solche Dinge erstellen könnten, könnten Sie vielleicht einen Konzentrationsgradienten messen, aber ich bezweifle, dass viele solcher im wirklichen Leben existieren.

Obwohl solche Dinge passieren. Wenn ein schwereres Gas wie CO2 an einem niedrigen Punkt freigesetzt wird, braucht es einige Zeit, um sich mit dem Rest der Atmosphäre zu vermischen. Siehe zum Beispiel die Lake Nyos-Katastrophe: https://en.wikipedia.org/wiki/Lake_Nyos_disaster

$\mathrm{CO}_2$ sinkt in Luft, wenn es entsprechend rein ist. Insbesondere können Sie eine Flasche davon nehmen$\mathrm{CO}_2$und gieße es wie eine Flüssigkeit auf etwas Brennendes, wie eine Kerze, und du kannst zusehen, wie es es erstickt.

Warum also nicht die Umgebung$\mathrm{CO}_2$alle sinken? Die Antwort finden Sie oben im Abschnitt "passend rein". Siehst du,$\mathrm{CO}_2$, wird, wie jedes Gas in einem Gas-Gas-Gemisch, einer Diffusion unterzogen, wenn seine Moleküle, die aufgrund ihrer thermischen Bewegung herumstoßen, es schaffen, sich ihren Weg durch und zwischen Molekülen anderer Gase wie Stickstoff und Sauerstoff zu bahnen, die die dominierenden Bestandteile der Erde sind Luft. Dadurch wird im Laufe der Zeit a$\mathrm{CO}_2$Eine auf dem Boden liegende Decke dehnt sich langsam nach oben aus und vermischt sich mit anderen Gasen, bis sie sich schließlich im Rest der Luft auflöst. Darüber hinaus wird es, sobald es durch das Mischen so weit verdünnt ist, dass seine Dichte nicht mehr höher als die der anderen Gase ist, wie erwartet aufsteigen und den Mischprozess schnell abschließen, wenn sich Turbulenzen bilden und ihn beenden.

Umgebungs$\mathrm{CO}_2$, befindet sich dann tatsächlich bereits in seinem "maximal aufgelösten" Zustand, also in einem ungefähren Gleichgewicht (Modulo-Faktoren, wie z der betreffende Zeitraum). Es kommt also nicht einfach aus der Luft.

Dichte Gase können und werden sinken, aber zwei Faktoren verhindern dies in der Atmosphäre

Kohlendioxid und andere dichte Gase und Dämpfe sinken. Dies ist die Ursache vieler Industrieunfälle, bei denen Schiffe mit Inertgas gefüllt sind (Kohlendioxid- oder Methylenchloriddämpfe haben beispielsweise Menschen getötet, die ohne Sorgfalt und Aufmerksamkeit in geschlossene Schiffe eingestiegen sind, und Vulkanseen, die plötzlich Kohlendioxid abgeben, haben große Naturkatastrophen verursacht). Aber das passiert in der offenen Atmosphäre nicht in großem Umfang.

Es gibt zwei Gründe, warum die Atmosphäre gut durchmischt ist: Diffusion und Turbulenz.

Ideale Gase (und unter normalen Umständen ist Idealität eine gute Annäherung an atmosphärische Bestandteile) Gase sind vollständig mischbar. Ein Molekül weiß nicht, was andere Moleküle tun, und es gibt keinen starken Mechanismus, um sie zu trennen. Allein die Diffusion wird letztendlich die gasförmigen Komponenten in einem Behälter gründlich miteinander vermischen. Aber die Verbreitung ist langsam, weshalb Naturkatastrophen wie der Nyos-See und Industrieunfälle in geschlossenen Schiffen passieren können. In sehr großen Maßstäben sollte die Diffusion mit der Schwerkraft konkurrieren, um einen Konzentrationsgradienten zu ergeben, aber dies wird in der unteren Atmosphäre nicht beobachtet und würde Experimente im menschlichen Maßstab niemals beeinträchtigen.

Die untere Atmosphäre sieht einen weiteren Faktor, der Gase schneller mischt: das Wetter. Turbulentes Mischen arbeitet viel schneller als Diffusion und ist an jedem windigen Tag sehr offensichtlich. Turbulente Vermischung dominiert die untere Atmosphäre in einem solchen Ausmaß, dass sie in einigen Ländern ein Hauptthema menschlicher Gespräche ist. Die Atmosphäre ist wie ein sehr großes Gefäß, das stark gerührt wird und seine Bestandteile gründlich vermischt. Diese Mischkraft ist weitaus stärker als die Schwerkraft.

Wenn Diffusion und Schwerkraft die einzigen Faktoren wären, würden wir einen Konzentrationsgradienten in großen Maßstäben sehen, wobei dichtere Gase auf hohen Bergen weniger verbreitet sind. Aber wir sehen diesen Effekt nicht in der unteren Atmosphäre, weil Turbulenzen viel wichtiger sind. Die Luftzusammensetzung auf der Spitze des Everest ist die gleiche wie auf Meereshöhe (abgesehen davon, dass sie viel weniger dicht ist).

Die Intuition, dass sich dichte Gase aufgrund der Schwerkraft trennen sollten, ist also richtig, aber dieser Effekt wird von Diffusion und Turbulenz dominiert. Auf planetarischer Ebene gibt es aufgrund der Schwerkraft eine gewisse Trennung, aber dieser Effekt ist gering und selbst auf dem höchsten Berg nicht bemerkenswert. Auf menschlicher Ebene können Sie beide Effekte mit vorsichtigen Experimenten (wie das Füllen eines Gefäßes mit Schwefelhexafluorid) übertreffen. Aber nur unter Bedingungen, bei denen die Luft ruhig ist, und selbst dann vermischt die Diffusion schließlich das schwere Gas mit der Luft im Raum, wenn auch langsam.

Etwas, worauf die anderen Antworten hinauszugehen scheinen, aber nicht ausdrücklich angeben, ist, dass es keine scharfe Trennung zwischen "Gase, die sich mischen" und "Gase, die sich nicht mischen" gibt. Wenn ein Gas hundertmal so dicht ist wie das andere, gibt es sehr wenig Mischung. Wenn man 1% dichter ist, wird es viel Mischung geben. Wenn wir das Verhältnis kontinuierlich von 1,01 bis 100 variieren könnten, würde die Mischungsmenge kontinuierlich von „viel“ bis „sehr wenig“ variieren. Und es variiert exponentiell, sodass die Mischungsmenge für ein Verhältnis von 2 viel mehr als doppelt so hoch ist wie die Mischung für ein Verhältnis von 4.

Wenn wir außerdem eine Dimensionsanalyse des Luftdrucks auf Meereshöhe von 101.325 N/m^2 durchführen, können wir N = kg m/s^2 einsetzen und erhalten 101.325 kg/(ms^2). Teilen Sie es durch die Erdbeschleunigung und wir erhalten etwas mehr als 10.000 kg/m^2. Teilen Sie durch die Luftdichte bei STP und wir erhalten ungefähr 10 km. Multiplizieren Sie mit dem Anteil der Atmosphäre, der CO2 ist, und wir erhalten 4m. Ganz grob gesagt (ich habe viel gerundet und einige Komplikationen unter den Teppich gekehrt), gibt es nur vier Meter Kohlendioxid in der Atmosphäre. Sie würden fast die Hälfte davon benötigen, um am Boden zu sein, damit ein stehender Erwachsener von durchschnittlicher Größe erstickt wird.