Тяжелее или легче воздуха: газы и пары
Обновлено 06.11.2026
Пары бензина тяжелее воздуха в 3-4 раза. Такую относительную плотность пара по воздуху для бензина в целом дает международная карточка химической безопасности ICSC 1400 (2001). В пособии ВНИИПО 2014 года для марок Б-70, А-72 и АИ-93 приведена молярная масса от 95,3 до 102,2 кг/кмоль, это в 3,3-3,5 раза больше молярной массы воздуха, 28,96 кг/кмоль. Пар бензина перемещается у самой земли и может воспламениться вдали от места разлива.
Как сравнить газ с воздухом
При одинаковых температуре и давлении плотность газа пропорциональна его молярной массе. Это видно из формулы А.2 СП 12.13130.2009, по которой считают плотность газа или пара в расчете категорий А и Б.
ρ = M / (V0 · (1 + 0,00367 · t))
Здесь ρ это плотность газа или пара, кг/м³, M это молярная масса, кг/кмоль (то же число, что в г/моль), V0 = 22,413 м³/кмоль это мольный объем, t это температура, °C. При 20 °C знаменатель равен 24,058 м³/кмоль, и плотность воздуха получается 28,96 / 24,058 = 1,20 кг/м³.
Если температура газа и воздуха одинакова, знаменатель у них один, и отношение плотностей равно отношению молярных масс.
D = M / Mв ≈ M / 29
Здесь D это относительная плотность газа по воздуху, безразмерная, Mв это молярная масса сухого воздуха, 28,96 кг/кмоль (в ГОСТ 4401-81 для среднего уровня моря 28,964420 кг/кмоль). Если D больше 1, газ тяжелее воздуха.
Сравнение по молярной массе верно для чистого газа при той же температуре, что у окружающего воздуха. Нагретый газ легче холодного. Например, воздух при 100 °C по формуле А.2 имеет плотность 0,95 кг/м³ против 1,20 кг/м³ при 20 °C. Смесь пара с воздухом легче чистого пара. У пара ацетона относительная плотность 2,0, а у смеси, насыщенной паром ацетона при 20 °C, она равна 1,2 (карточка ICSC 0087, 2024); расчет для такой смеси приведен в примере о молярной массе смеси.
Какие газы и пары тяжелее воздуха
Из веществ таблицы тяжелее воздуха сероводород, пропан, бутан, пары ацетона и бензина. Легче воздуха водород, метан, аммиак и ацетилен. Оксид углерода по плотности почти равен воздуху.
Молярные массы посчитаны по стандартным атомным массам Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) 2024 года: H 1,008, C 12,011, N 14,007, O 15,999, S 32,06. Бензин это смесь углеводородов, и для него взят диапазон из приложения 2 пособия ВНИИПО. D = M / 28,96.
Нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени (НКПР и ВКПР) взяты из международных карточек химической безопасности ICSC, которые готовят эксперты Международной организации труда и Всемирной организации здравоохранения; в карточках они названы пределами взрываемости, годы карточек указаны в источниках.
| Вещество | Формула | M, кг/кмоль | D | Тяжелее или легче воздуха | НКПР-ВКПР по ICSC, % об. |
|---|---|---|---|---|---|
| Водород | H2 | 2,016 | 0,07 | Легче | 4-75 |
| Метан | CH4 | 16,043 | 0,55 | Легче | 5-15 |
| Аммиак | NH3 | 17,031 | 0,59 | Легче | 15-33,6 |
| Ацетилен | C2H2 | 26,038 | 0,90 | Легче | 2,5-100 |
| Оксид углерода (угарный газ) | CO | 28,010 | 0,97 | Чуть легче | 12,5-74,2 |
| Сероводород | H2S | 34,076 | 1,18 | Тяжелее | 3,9-45,5 |
| Пропан | C3H8 | 44,097 | 1,52 | Тяжелее | 2,1-9,5 |
| Бутан | C4H10 | 58,124 | 2,01 | Тяжелее | 1,8-8,4 |
| Ацетон, пар | C3H6O | 58,080 | 2,01 | Тяжелее | 2,2-13 |
| Бензин, пар | Смесь углеводородов | 95,3-102,2 | 3,3-3,5 | Тяжелее | 1,3-7,1 |
НКПР одного вещества в разных справочниках бывает разным. Для ацетона в карточке ICSC 0087 нижний предел 2,2 % об., в приложении 1 пособия ВНИИПО 2014 года НКПР 2,7 % об.; для расчетов категорий по СП 12 берут официально опубликованные справочные данные или результаты испытаний (п. 4.3 СП 12.13130.2009).
В Правилах устройства электроустановок (ПУЭ) граница между легкими и тяжелыми газами проведена не по 1, а по 0,8. По ПУЭ газ легкий, если при 20 °C и 100 кПа его плотность по отношению к плотности воздуха 0,8 или менее. При плотности больше 0,8 газ по ПУЭ тяжелый (пп. 7.3.13 и 7.3.14). Та же граница записана в п. 3.16 СП 423.1325800.2018. По этому определению ацетилен и оксид углерода относятся к тяжелым газам, хотя они легче воздуха.
От того, легкий газ или тяжелый, зависят требования ПУЭ к распределительным устройствам (РУ), трансформаторным (ТП) и преобразовательным (ПП) подстанциям у взрывоопасных зон. Примыкать более чем одной стеной к зонам классов В-Iа и В-Iб с тяжелыми или сжиженными горючими газами им запрещено (п. 7.3.80).
РУ, ТП и ПП, питающие установки с тяжелыми или сжиженными газами, как правило, должны быть отдельно стоящими, на расстояниях по таблице 7.3.13. Если подстанция все же примыкает к зоне одной стеной, пол и дно кабельных каналов и приямков в ней должны быть выше пола смежного помещения со взрывоопасной зоной и поверхности земли не менее чем на 0,15 м (п. 7.3.84).
Сероводород, метан, ацетилен, угарный газ
Сероводород, как пары бензина и ацетона, может перемещаться по поверхности земли, и возможно его воспламенение на расстоянии от источника (ICSC 0165, 2017). Метан легче воздуха и не имеет запаха (ICSC 0291, 2000), так что утечку чистого метана по запаху не заметить.
Ацетилен хорошо смешивается с воздухом и легко образует с ним взрывоопасные смеси. При нагревании и повышении давления он разлагается (ICSC 0089, 2003). Оксид углерода по плотности почти не отличается от воздуха и тоже хорошо с ним смешивается. Запаха у него нет, и даже при токсичных концентрациях запах о нем не предупреждает (ICSC 0023, 2024).
Молярная масса воздуха и смеси газов
Воздух это смесь газов, и его молярная масса средняя по составу. Для смеси с составом в объемных долях молярную массу считают по формуле.
Mсм = Σ φi · Mi
Здесь Mсм это молярная масса смеси, кг/кмоль, φi это объемная доля i-го газа (у идеальных газов она равна мольной доле), Mi это молярная масса этого газа, кг/кмоль.
Состав сухого воздуха у уровня моря по таблице 3 стандартной атмосферы США 1976 года: азот 0,78084, кислород 0,209476, аргон 0,00934, диоксид углерода 0,000314 объемной доли. Молярные массы компонентов по атомным массам ИЮПАК равны 28,014 для N2, 31,998 для O2, 39,95 для Ar и 44,009 кг/кмоль для CO2. С долями, округленными до 4 знаков, получается такой расчет.
Mв = 0,7808 · 28,014 + 0,2095 · 31,998 + 0,0093 · 39,95 + 0,0003 · 44,009 = 21,873 + 6,704 + 0,372 + 0,013 = 28,962 кг/кмоль.
Результат 28,96 кг/кмоль совпадает с ГОСТ 4401-81 до второго знака после запятой. Для смеси пропана и бутана поровну по объему Mсм = 0,5 · 44,097 + 0,5 · 58,124 = 51,11 кг/кмоль и D = 51,11 / 28,96 = 1,76.
Расчет для ацетона при 20 °C и давлении 101,3 кПа. Давление насыщенного пара ацетона по уравнению Антуана с константами из приложения 1 пособия ВНИИПО (A = 6,37551, B = 1281,721, C = 237,088) равно 24,5 кПа. Насыщенная смесь содержит 24,5 / 101,3 = 0,242 объемной доли пара, Mсм = 0,242 · 58,08 + 0,758 · 28,96 = 36,0 кг/кмоль и D = 1,24, что согласуется со значением 1,2 из карточки ICSC 0087. При 2,2 % об. пара, нижнем пределе по ICSC, Mсм = 0,022 · 58,08 + 0,978 · 28,96 = 29,60 кг/кмоль и D = 1,02. При 2,7 % об., НКПР по пособию, D = 1,03.
При 20 °C насыщенная паром ацетона смесь тяжелее воздуха в 1,24 раза, а смесь с концентрацией на нижнем пределе только в 1,02-1,03 раза.
Почему это важно на практике
Пропан и бутан могут накапливаться в пространствах, расположенных внизу, и вызывать там недостаток кислорода (карточки ICSC 0319 и 0232, 2003).
Требования к вентиляции в этом разделе взяты из СП 60.13330.2020 в редакции с изменениями № 1-5 (ред. от 17.01.2025). Изменение № 6, которое действует с 07.07.2026, с текстом не сверено; по проекту оно касается пп. 7.3.22, 7.5.1 и 7.5.2. Для помещений категорий А и Б системы механической общеобменной вытяжной вентиляции «следует предусматривать». Системы с естественным побуждением для этих помещений «следует предусматривать, если взрывопожароопасные вещества легче воздуха и работоспособность систем обеспечивается при безветрии в теплый период года» (п. 7.2.19).
В производственных помещениях с тепловыделениями и выделением вредных или горючих газов или паров легче воздуха загрязненный воздух следует удалять из верхней зоны (п. 7.3.16). Приемные отверстия для удаления взрывоопасных смесей из верхней зоны следует размещать «не ниже 0,4 м от плоскости потолка или покрытия до верха отверстий», то есть верх отверстия не дальше 0,4 м от потолка. Для смеси водорода с воздухом это расстояние 0,1 м в помещениях высотой 4 м и менее и 0,025 высоты помещения, но не более 0,4 м, в помещениях выше 4 м (п. 7.3.17).
В п. 7.3.16 отдельного правила общеобменной вентиляции для газов и паров тяжелее воздуха нет: нижняя зона там названа при выделении пыли и аэрозолей в помещениях без тепловыделений. По плотности прямо задано размещение вытяжных устройств аварийной вентиляции. Их «необходимо размещать» в рабочей зоне при поступлении газов и паров с плотностью больше плотности воздуха и в верхней зоне при плотности меньше плотности воздуха (п. 7.7.5).
Приемные отверстия общеобменной вентиляции из нижней зоны следует размещать на уровне до 0,3 м от пола до низа отверстий (п. 7.3.18). Для вентиляции приямков глубиной 0,5 м и более и смотровых каналов с ежедневным обслуживанием в помещениях категорий А и Б или в помещениях, где выделяются вредные газы, пары или аэрозоли тяжелее воздуха, допускается использовать общеобменную механическую вентиляцию (п. 7.2.20).
От плотности зависит и место взрывоопасной зоны. В помещениях с водородом по ПУЭ зоной класса В-Iб может быть только верхняя часть помещения, условие и отметка высоты приведены в описании класса В-Iб. В расчете категорий А и Б плотность газа или пара по формуле А.2 входит в формулу давления взрыва А.1.
Вопросы
Как называется газ, который пахнет тухлыми яйцами?
Это сероводород, H2S, бесцветный газ с характерным запахом тухлых яиц (карточка ICSC 0165, 2017). На запах как на предупреждение полагаться нельзя, потому что при концентрации выше предельной для рабочего места обонятельный нерв может парализоваться, и запах перестает ощущаться.
Какая плотность паров ацетона?
При 20 °C плотность пара ацетона 2,41 кг/м³. По формуле А.2 СП 12.13130.2009 58,08 / (22,413 · (1 + 0,00367 · 20)) = 58,08 / 24,058 = 2,41 кг/м³, это в 2 раза больше плотности воздуха при той же температуре, 1,20 кг/м³. В расчете категории подставляют расчетную температуру помещения; при 30 °C получается 2,33 кг/м³, и это значение использовано в примере разлива ацетона в лаборатории.
Источники
- СП 12.13130.2009 «Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности» с изменением № 1: п. 4.3, формулы А.1, А.2. Текст на сайте ГУ МЧС России по Алтайскому краю
- ГОСТ 4401-81 «Атмосфера стандартная. Параметры»: таблица 4, молярная масса воздуха на среднем уровне моря.
- IUPAC CIAAW, Abridged Standard Atomic Weights 2024: H, C, N, O, S, Ar. ciaaw.org
- U.S. Standard Atmosphere, 1976. NOAA, NASA, USAF, Washington, 1976: таблица 3 на с. 3, состав сухого воздуха у уровня моря. ntrs.nasa.gov
- Пособие по применению СП 12.13130.2009. И.М. Смолин, Н.Л. Полетаев, Д.М. Гордиенко, Ю.Н. Шебеко, Е.В. Смирнов. ФГБУ ВНИИПО МЧС России, М., 2014: приложение 1 (ацетон), приложение 2, строки 1-4 (бензины Б-70, А-72, АИ-93). Текст на meganorm.ru
- Международные карточки химической безопасности ICSC (МОТ и ВОЗ), русские версии, в скобках месяц и год карточки: 1400 бензин (октябрь 2001), 0001 водород (апрель 2014), 0291 метан (февраль 2000), 0414 аммиак (октябрь 2013), 0089 ацетилен (август 2003), 0023 оксид углерода (апрель 2024), 0165 сероводород (апрель 2017), 0319 пропан (ноябрь 2003), 0232 бутан (ноябрь 2003), 0087 ацетон (апрель 2024).
- Правила устройства электроустановок, 6-е издание (ред. от 20.06.2003): пп. 7.3.13, 7.3.14, 7.3.42, 7.3.80, 7.3.84, таблица 7.3.13. КонсультантПлюс, определения главы 7.3, распределительные устройства и подстанции
- СП 423.1325800.2018 «Электроустановки низковольтные зданий и сооружений. Правила проектирования во взрывоопасных зонах» с изменением № 1: п. 3.16.
- СП 60.13330.2020 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» в редакции с изменениями № 1-5 (ред. от 17.01.2025): пп. 7.2.19, 7.2.20, 7.3.16-7.3.18, 7.7.5. Текст в редакции изменения № 1 на сайте ГУ МЧС России по Алтайскому краю; названные пункты в редакции от 17.01.2025 совпадают с ним.