Air - English

Japanese: 空気 - くうき（英語表記）air 英語

This refers to the colorless, transparent gas that makes up the lower part of the atmosphere that surrounds the Earth. The atmosphere is said to extend up to about 1,000 kilometers above the ground, and the lowest part, the troposphere (about 10 to 17 kilometers above the ground), and the stratosphere (up to about 48 kilometers above the ground), are what we call air. The density decreases as you go higher above the ground, but the composition remains the same.

Air was created historically, and without air, the surface of the earth would be directly exposed to the intense light of the sun, heat, cosmic rays, and cosmic dust, and carbon dioxide assimilation, respiration, and nitrogen fixation would not occur, and living things would not be able to exist. Furthermore, sound would not travel through the air, things would not burn, and there would be no atmospheric pressure, wind, or rain.

[Nakahara Katsunori]

nature

Air is a mixture of gases, containing the main components oxygen and nitrogen, as well as small amounts of carbon dioxide and argon. It also contains other gases such as water vapor, sulfur dioxide, carbon monoxide, ammonia, nitrogen dioxide, ozone, and hydrocarbons, as well as fine particles such as dust, pollen, microorganisms, and inorganic salts, the amounts of which vary depending on time and place. Recently, the carbon dioxide content has been increasing slightly each year due to the effects of large-scale fossil fuel consumption and other factors. Also, in the air of large cities, the amounts of nitrogen oxides (so-called NOX) and sulfur oxides (so-called SOX) are increasing due to exhaust fumes from automobiles and other sources.

The composition of air is almost the same anywhere on Earth, so in the past it was thought to be a compound. When compressed and cooled, it becomes liquid at 37.2 atmospheres and -140.7°C. When liquid air is vaporized, the components have different boiling points, so each component can be separated.

[Nakahara Katsunori]

How to measure weight

One liter of dry air weighs 1.293 grams (at 0°C and 1 atmosphere). To measure the approximate weight of air, attach a rubber tube to a stoppered flask with a pinch cock, remove the air with a vacuum pump, and weigh the weight removed. The difference in weight between when there is air and when there is a vacuum is the weight of the air that was in the flask. Then, open the cock in water and measure the volume of water that enters. This will determine the weight of that volume of air. Conversely, you can also find the volume by pushing air into a container with an air pump, measuring the increased weight, and introducing the increased amount of air into an inverted measuring cylinder submerged in water.

If you simply want to know whether something has weight, you can do so by heating a flask containing a small amount of water, expelling most of the air along with the water vapor, plugging it, measuring its weight, then opening the plug to let air in, and measuring the weight again.

[Nakahara Katsunori]

Changing perception of air

Ancient

It has long been recognized that invisible air is a substance. Anaximenes of ancient Greece in the 6th century BC believed that air was the origin of all things, and that it turned into fire, water, and earth by diluting and thickening. Empedocles proved the materiality of air with his "clepsydra (water-drawing device) experiment." Straton in the 3rd century BC demonstrated the compressibility and elasticity of air using a hollow copper sphere, and claimed that air is composed of tiny molecules and the tiny voids between them. Heron invented automatic temple doors and steam turbine toys that utilized the thermal expansion of air. However, these were not applied to production technology in ancient society. The Roman physician Galen placed importance on the concept of "pneuma" as the vital energy that enters the body through breathing and controls life maintenance and mental functions. "Qi" was an important concept in Chinese thought as well, but it did not go beyond the theory of yin-yang and the five elements, and it was not a material subject of natural science as in the West.

[Masao Uchida]

Recognition of weight and elasticity

In the 17th century, when modern science was in its infancy, the properties of air were studied in connection with proving the existence of a vacuum.

In the so-called "Torricelli's experiment," Torricelli explained that a 76-centimeter column of mercury in a glass tube was supported by the balance of the weight of the atmosphere (1643). Pascal then proved this through various thought experiments and arguments, generalizing it as fluid equilibrium. The "Puy de Dome experiment" (September 19, 1648), which was carried out under his direction, was the first measurement of high-altitude air pressure (Pascal's experiment). Meanwhile, around 1650, Guericke created an air pump to create a vacuum, and performed various experiments to demonstrate the magnitude of atmospheric pressure, including the "Magdeburg Hemisphere Experiment." He also investigated the behavior of sound, fire, small animals, etc. in a vacuum container, proving that air is necessary for sound propagation, combustion, and animal survival. Boyle repeated Guericke's experiment and, through more ingenious experiments, discovered "Boyle's law" relating air pressure to volume (1662). The true nature of air as an elastic fluid was clearly recognized.

Regarding the thermal expansion of air, it was discovered by Charles in 1787 that its volume is proportional to its temperature. This expansion rate was studied by Gay-Lussac, Dalton, and others, but Regnault's detailed research revealed that the thermal expansion rate of all gases is not the same, and that Boyle's law does not strictly hold true (1853).

Since the 17th century, physicists have considered gases to be particulate, but the concrete picture was very vague. The dynamic picture of gases, the kinetic theory of gas molecules, was finally established by Maxwell and others in the mid-19th century against the background of the development of thermodynamics, and was developed into general statistical mechanics by Boltzmann.

[Masao Uchida]

Recognition of chemical nature

It has long been known that air is necessary for combustion and respiration. It was the experiments of Guericke and Boyle that clearly proved this. The Englishman J. Mayo discovered that air contains an active component that supports combustion and respiration, and called it "niter" because it acts similarly to saltpeter (1674). This corresponds to oxygen, but this fact was not immediately understood, and Mayo's work was buried for over 100 years. In the 18th century, the phlogiston theory proposed by Staal became influential, and combustion was thought to be a process in which phlogiston escapes from combustible materials.

In the early 18th century, Hales discovered that plants also obtain nutrients from the air, and invented the water displacement method to collect various gases. However, he did not consider them to be chemically different substances, but rather considered them to be air that happened to contain impurities. It was J. Black who first recognized gas as a chemical substance different from ordinary air. He discovered "fixed air," i.e., carbon dioxide, in limestone (1756), followed by the discovery of hydrogen and nitric oxide by Cavendish and J. Priestley, and the latter half of the 18th century became the era of gas chemistry. D. Rutherford recognized that nitrogen in air was a gas (1772), and Scheele and Priestley independently discovered oxygen in 1771 and 1774, respectively. It was Lavoisier who overthrew the phlogiston theory and correctly understood the chemical nature of oxygen. He proved that this gas is a "pure component" of air which combines with combustible materials and metals in combustion and metal incineration, clarified that ordinary air consists of oxygen and nitrogen, and explained that breathing, like combustion, is a process of oxidation of food.

The fact that the composition of air is constant regardless of location or altitude was confirmed by Gay-Lussac and others (1804). Rayleigh and W. Ramsay (Ramsay) discovered that air contains small amounts of rare gases, which they named argon (1894). Soon after, krypton, neon, and xenon were also discovered by fractional distillation of liquid air.

Around 1827, Faraday liquefied several gases. Oxygen and nitrogen, which were known as permanent gases due to their difficulty in liquefying, were successfully liquefied by Caillete and Raoul Pictet (1846-1929) in 1877, and in 1895, C. P. G. R. von Linde produced liquid air on a large scale. Nitrogen and oxygen produced by fractional distillation of liquid air are used in ammonia synthesis and metallurgy, respectively, and have become important raw materials for the chemical industry since the 20th century. Furthermore, since the second half of the 19th century, air machines such as vacuum pumps and compressors have been improved one after another and are applied to various technologies.

[Masao Uchida]

"Who Has Seen the Atom?" by Hiroshi Ezawa (1998, Iwanami Shoten)

Air components
©Shogakukan ">

Air components

Physical Properties of Air
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Physical Properties of Air

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

地球を包む大気の下層部分を構成している無色透明な気体をいう。大気は地上約1000キロメートルまで存在するといわれ、その最下部の対流圏（地上から約10～17キロメートル）、その上の成層圏（地上約48キロメートルまで）までは、いわゆる空気とよんで、地上から高くなるにつれて密度は減少していくが、その組成は変わらない。

　空気は歴史的に生成されたもので、空気がなければ、地表は太陽の激しい光、熱、宇宙線、宇宙塵(じん)などに直接さらされることになり、また炭酸同化も呼吸も窒素固定も行われず、生物は存在することもできない。さらに空中を音が伝わらず、物が燃えることもなく、大気圧や風や雨も存在しない。

［中原勝儼］

性質

空気は混合気体で、主成分の酸素と窒素のほかに、少量の二酸化炭素およびアルゴンなどを含んでいる。そのほか水蒸気、二酸化硫黄(いおう)、一酸化炭素、アンモニア、二酸化窒素、オゾン、炭化水素などの気体、さらに塵埃(じんあい)、花粉、微生物、無機塩類などの微粉を含んでいるが、これらは時と所によって量が違う。最近は大量の化石燃料消費その他の影響で二酸化炭素の含有量が年々わずかずつ増大している。また大都市の空気中では自動車などの排出ガスその他によって窒素酸化物（いわゆるNOX）や硫黄酸化物（いわゆるSOX）の量が増大している。

　空気の組成は地上のどこでもほとんど変わらないから、古くは化合物と考えられたこともある。加圧下、冷却すると、37.2気圧、零下140.7℃で液体となる。液体空気を気化させると、成分の沸点が違うため、各成分を分離することができる。

［中原勝儼］

重さを測る方法

乾燥空気1リットルは1.293グラム（0℃、1気圧）である。空気のおよその重さを測るには、栓をしたフラスコにゴム管をピンチコックで取り付け、真空ポンプで空気を抜き、その減じた重さを秤量(ひょうりょう)する。空気が入っているときと真空にしたときの重量の差がフラスコに入っていた空気の重量である。ついで水の中でコックを開いて、入る水の体積を測定する。これによってその体積の空気の重量がわかることになる。逆に、容器に空気入れなどで空気を押し込み、増した重さを測り、水中に倒立させたメスシリンダーに増量分の空気を導いて体積を知る方法もある。

　単に重さのあることを知る程度ならば、水を少量入れたフラスコを温めて、水蒸気とともに大部分の空気を追い出して栓をし、その重さを測ったのち、栓を開いて空気を入れ、再度重さを測ることによって確認できる。

［中原勝儼］

空気の認識の変遷

古代

目で見ることのできない空気が物質であることは古くから認められていた。紀元前6世紀の古代ギリシアのアナクシメネスは「空気」を万物の根源とし、その希薄化と濃厚化によって火・水・土に変わると考え、エンペドクレスは「クレプシドラ（水汲(く)み用具）の実験」によって空気の物質性を証明した。前3世紀のストラトンは、中空の銅球を用いて空気の圧縮性と弾性を示し、空気が微小な分子とそれらの間の小さな空虚とからなることを主張した。ヘロンは、空気の熱膨張を利用した神殿の自動扉や蒸気タービンの玩具(がんぐ)を考案した。しかし古代社会では、これらが生産技術に応用されることはなかった。ローマ時代の医師ガレノスは、呼吸によって体内に入り、生命の維持と精神作用をつかさどる精気として「プネウマ」という概念を重視した。中国の思想においても「気」は重要な概念であったが、陰陽五行(いんようごぎょう)説を出ることなく、西洋におけるように物質として自然学の対象とはならなかった。

［内田正夫］

重さと弾性の認識

近代科学の生まれつつあった17世紀には、真空の存在の証明と関連して空気の諸性質が研究された。

　トリチェリは、いわゆる「トリチェリの実験」において、ガラス管内の76センチメートルの水銀柱は大気の重さとのつり合いによって支えられている、と説明した（1643）。続いてパスカルが、種々の思考実験と論証によってこれを証明し、流体の平衡として一般化した。彼の指示で実施された「ピュイ・ド・ドーム山頂の実験」（1648年9月19日）は、最初の高所気圧測定であった（パスカルの実験）。一方、ゲーリケは1650年ごろ、空気ポンプを製作して真空状態をつくりだし、「マクデブルクの半球実験」をはじめ、大気圧の大きさを示すさまざまな実験を行った。また真空容器内での音・火・小動物などの挙動を調べ、音の伝播(でんぱ)、燃焼、動物の生存に空気が必要なことを証明した。ボイルはゲーリケの実験を追試して、さらに巧みな実験により、空気の圧力と体積との間の「ボイルの法則」をみいだした（1662）。空気の弾性流体としての本性が明瞭(めいりょう)に認識されたのである。

　空気の熱膨張については、その体積が温度に比例することが、1787年シャルルによって発見された。その膨張率はゲイ・リュサック、ドルトンらによって研究されたが、ルニョーの精密な研究により、すべての気体の熱膨張率が同一ではないこと、ボイルの法則も厳密には成り立たないことが明らかになった（1853）。

　17世紀以来、物理学者は気体を粒子状のものと考えてはきたが、具体的な描像はたいへんあいまいであった。動的な気体像である気体分子運動論は、熱力学の発展を背景として、19世紀なかば過ぎに、マクスウェルらによってようやく成立され、ボルツマンによって一般的な統計力学へと発展させられた。

［内田正夫］

化学的本性の認識

燃焼と呼吸に空気が必要なことは古くから知られていた。それをはっきりと証明したのがゲーリケとボイルの実験であった。イギリスのJ・メーヨーは、空気が燃焼と呼吸を支える、ある活性な成分を含んでいることを知り、これが硝石に類似した作用をもつことから「硝空気精」とよんだ（1674）。これは酸素にあたるが、そのことはただちに理解されたわけではなく、メーヨーの著作は100年間余り埋もれてしまった。18世紀には、シュタールの唱えたフロギストン説が有力となり、燃焼とは可燃物からフロギストンが逃げていく過程であると考えられた。

　植物が空気からも栄養をとることをみいだした18世紀初めのヘールズは、水上置換法を発明してさまざまな気体を捕集したが、彼はそれらが化学的に異なった物質だとは考えず、たまたま不純物が混じった空気であるとみなした。初めて普通空気とは別種の化学物質として気体を認識したのはJ・ブラックであった。彼は石灰石の中に「固定された空気」、すなわち二酸化炭素を発見し（1756）、これに続いてキャベンディッシュ、J・プリーストリーらによって水素や酸化窒素が発見され、18世紀後半は気体化学の時代となる。D・ラザフォードは空気中の窒素が一つの気体であることを認め（1772）、シェーレとプリーストリーとがそれぞれ1771年と1774年に独立に酸素を発見した。フロギストン説を打ち倒して、酸素の化学的本性を正しく理解したのはラボアジエであった。彼は、この気体が燃焼と金属灰化において可燃物や金属と結合する空気の「純粋な成分」であることを証明し、普通空気が酸素と窒素とからなることを明らかにし、また呼吸も燃焼と同じく食物の酸化過程であると説明した。

　空気の組成が地点や高度にかかわらず一定であることは、ゲイ・リュサックらによって確かめられた（1804）。さらに空気の成分として少量の希ガスが含まれていることがレイリーとW・ラムジー（ラムゼー）によって発見され、アルゴンと命名された（1894）。まもなく液体空気の分留によりクリプトン、ネオン、キセノンも発見された。

　1827年ごろファラデーはいくつかの気体を液化した。液化が困難なため永久気体といわれた酸素や窒素は、1877年にカイユテとピクテRaoul Pictet（1846―1929）が液化に成功、1895年C・P・G・R・von・リンデは液体空気を大規模に製造した。液体空気の分留によって製造された窒素と酸素は、それぞれアンモニア合成や冶金(やきん)などに用いられ、20世紀以降の化学工業にとって重要な原料の一つとなっている。また19世紀後半以降、真空ポンプや圧縮機などの空気機械が次々に改良され、多方面の技術に応用されている。

［内田正夫］

『江沢洋著『だれが原子をみたか』新装版（1998・岩波書店）』