La determinazione della composizione dell’aria assume una particolare importanza ai fini di conoscere quali e in che misura sono presenti sostanze inquinanti.
L’aria è un miscuglio di sostanze aeriformi costituita da gas come azoto, ossigeno e argon e vapore acqueo.
La concentrazione di vapore acqueo varia significativamente a seconda che si considerino le zone più fredde dell’atmosfera piuttosto che le zone calde.
Costituenti
Sono riportati in tabella i principali costituenti dell’aria secca in volume:
| Gas | Formula | % volume |
| Azoto | N2 | 78.084 |
| Ossigeno | O2 | 20.946 |
| Argon | Ar | 0.9340 |
| Biossido di carbonio | CO2 | 0.04 |
| Neon | Ne | 1.818 ∙ 10-3 |
| Elio | He | 5.24 ∙ 10-4 |
| Metano | CH4 | 1.79 ∙ 10-4 |
L’aria può essere ottenuta allo stato liquido: il processo di condensazione può essere effettuato alla pressione di 1 atm e alla temperatura di – 194.4°C o a temperature più elevate, ma al di sotto della temperatura critica, se la pressione è maggiore.
Il metodo comunemente adottato per ottenere l’aria liquida è noto come il processo Linde che è utilizzato per separare ossigeno e azoto che trovano, rispettivamente, largo impiego nell’industria.
Determinazione dell’ossigeno
La determinazione dell’ ossigeno nell’aria può essere ottenuta in laboratorio bruciando alcuni metalli come rame, piombo e magnesio in presenza di aria. L’ossigeno si combina con questi metalli formando i rispettivi ossidi secondo la reazione generale:
2 Me(s) + O2(g)→ 2 MeO(s)
La differenza tra la massa dell’ossido e quella del metallo rappresenta la massa di ossigeno presente in un volume noto di aria. Al posto dei metalli può essere usato il fosforo bianco che è facilmente infiammabile e brucia secondo la reazione:
P4(s) + 5 O2(g)→ P4O10(s)
La misurazione della qualità dell’aria, ovvero della sua composizione, costituisce un utile strumento per garantire la tutela della salute della popolazione e la protezione degli ecosistemi.
Per rilevare la quantità di ossigeno, così come di altri gas presenti nell’aria si possono utilizzare opportuni sensori elettrochimici ovvero dispositivi capaci di riconoscere in continuo concentrazioni di composti in liquidi o gas e convertire questa informazione in un segnale elettrico.
Le moderne misurazioni della quantità di gas presenti viene attualmente effettuata tramite rilevazioni di tipo NDIR in cui si utilizza un sensore infrarosso non-dispersivo piuttosto che un sensore elettrochimico.
I componenti principali di un sensore NDIR (nondispersive infrared sensor) sono una sorgente di raggi infrarossi, una camera del gas campione, un filtro per la lunghezza d’onda e un rivelatore.
La luce IR viene diretta attraverso la camera del gas campione mentre in parallelo c’è un’altra camera in cui è presente un gas di riferimento, solitamente azoto.
Il gas presente nella camera del campione assorbe a lunghezze d’onda specifiche, secondo la legge di Lambert-Beer, una parte della radiazione della radiazione incidente e trasmettendone la rimanente che viene misurata dal rivelatore per determinare la concentrazione del gas.
Davanti al rivelatore è presente un filtro ottico che elimina le lunghezze d’onda di tutte le radiazioni eccetto quella che il gas selezionato può assorbire. La strumentazione può essere provvista di più filtri sia sui singoli sensori che su una ruota rotante in modo che si possano misurare simultaneamente diverse lunghezze d’onda.