Газообразные вещества – вещества со слабыми связями между частицами. Главные свойства газов – это подвижность и хаотичное движение частиц, направление которых меняется при столкновении. Газ – одно из 4 агрегатных состояний веществ, которые на сегодняшний день известны науке.

Четыре агрегатных состояния вещества

Газообразное состояние вещества – одно из трех «классических». Помимо него, выделяются также твердые и жидкие вещества. В последнее время в учебниках встречается определение и четвертого агрегатного состояния – плазмы. Это ионизированные (частично или полностью) газы. Четвертый тип агрегатного состояния был выявлен при изучении космоса, и, оказывается, он встречается во Вселенной чаще всего. Плазма – это составная часть многих планет, основа звезд, туманностей, высших слоев атмосферы Земли.

Агрегатные состояния вещества — это различные формы, в которых может находиться вещество в зависимости от температуры и давления. Существует четыре основных агрегатных состояния: твердое, жидкое, газообразное и плазма.

Каждое из этих состояний имеет свои уникальные свойства, описанные в таблице ниже:

Агрегатное состояние	Форма	Объем	Плотность	Форма молекул	Примеры
Твердое	Имеет определенную форму	Относительно малый	Высокая	Регулярная	Лед, железо
Жидкое	Принимает форму сосуда	Фиксированный	Средняя	Беспорядочная	Вода, масло
Газообразное	Заполняет все доступное пространство	Большой	Низкая	Беспорядочная	Воздух, кислород
Плазма	Не имеет определенной формы	Нет	Низкая	Ионизированные молекулы	Солнечная корона, молнии

Твердые вещества имеют определенную форму и объем, и сохраняют свою форму при изменении условий. Молекулы в твердых веществах находятся на фиксированных расстояниях друг от друга, что придает им регулярную форму.

Жидкости, с другой стороны, принимают форму сосуда, в котором они находятся, и имеют фиксированный объем. Молекулы в жидкостях находятся ближе друг к другу, чем в газах, но все еще могут двигаться относительно друг друга, что придает им беспорядочную форму.

Газы заполняют все доступное пространство и не имеют фиксированной формы или объема. Молекулы в газах находятся на больших расстояниях друг от друга и двигаются хаотично.

Плазма — это редкое состояние вещества, которое обычно находится при очень высоких температурах или в космическом пространстве. Плазма состоит из ионизированных молекул, которые не имеют определенной формы или объема.

Примеры каждого из этих агрегатных состояний включают в себя лед и железо (твердые вещества), воду и масло (жидкости), воздух и кислород (газы) и солнечную корону и молнии (плазма).

Далее речь пойдет о газах. Они были открыты сравнительно недавно, позже жидких и твердых веществ, так как не поддавались изучению человеческим глазом. Развитие науки в сфере газообразных соединений началось с XVII века.

Краткая история открытия газов

Современное название газам дал Жан Баптист ван Гельмонт (1580-1644), голландский химик. В первые годы XVII века он экспериментальным путем впервые получил «мертвый воздух» (углекислый газ). С этого и началось изучение газообразных соединений. Слово «газ» Гельмонт выбрал для названия по аналогии с греческим словом «хаос», так как, по его словам, видел в полученном им «паре» сходство с «хаосом древних». Но некоторые ученые спорят, что принятое сейчас обозначение все же пошло от немецкого «gasen», что в переводе означает «кипеть».
Больше всего открытий ученые совершили позже, уже в XVIII-XIX веках. В 1802 г. французский исследователь Гей-Люссак открыл закон теплового расширения газов: при повышении температуры увеличивается объем газообразных веществ. Вдохновленный его примером, в 1811 итальянский химик Амедео Авогадро открыл закон, который позднее назвали его же именем. Закон звучит так: «число молекул всегда одно и то же в одинаковых объемах любых газов». Иными словами, в 1 моле любого газообразного вещества при одинаковых условиях (давление, температура) одно и то же число частиц. Это число – число Авогадро: 6,02 * 1023.
Помимо выделения общих законов, в тот же период ученые постепенно открывали отдельные газы:

• 1766 – Генри Кавендиш открыл водород («гремучий газ»);
• 1772 – Генри Кавендиш получил азот;
• 1774 – Джозеф Пристли в лабораторных условиях получил кислород;
• 1776 – Ж. Лассон впервые наблюдал образование угарного газа;
• 1886 – Анри Муссан выделил фтор;
• 1785 – М. Ван-Марум обнаружил озон и так далее.

На июль 2017 года открыто 826 газов, а в будущем, возможно, к газообразному агрегатному состоянию припишут еще 90 веществ. Многие открытые газы не природные, они получены в лабораторных условиях.

«Газы — это невесомые жидкости» — А. Томсон

Свойства газообразных веществ

Выделяется целый ряд физических и химических свойств газов. Основные физические свойства:

1. Газы способны занимать все отведенное им пространство, независимо от объема вещества. Это отличает их от жидкостей и твердых тел: и первые, и вторые занимают ограниченный объем. Простой пример данного свойства: если во время готовки закрыть кухню, запах останется только на ней. Если открыть дверь, он распространится по всей квартире. И в том, и в другом случае объем газа одинаковый.
2. Газообразные вещества легко соединяются между собой. В полученных смесях нет четких границ: молекулы хаотично перемешиваются.
3. Связи между частицами вещества очень слабые. Пространство между частицами в разы больше, чем размер самих частиц. Именно поэтому газы способны заполнять произвольные объемы.
4. Объем газов может многократно сжиматься. Например, кислород можно сжать до 200 раз по сравнению с первоначальным объемом.
5. Газы способны к диффузии, то есть к проникновению в другие вещества и перемешиванию. Это касается не только других газов, упомянутых выше. Например, частицы кислорода проникают в воду.
6. Газы отличаются по тяжести молекул. В связи с этим, несмотря на диффузию, два газа с заметными различиями в массе постепенно разделятся.
7. Газообразные вещества могут появляться путем межфазного перехода, то есть из других агрегатных состояний. Первый вариант межфазного перехода – испарение при нагреве жидкого вещества, второй – сублимация, при которой твердое вещество, минуя стадию жидкости, сразу становится газом.
8. Газы не проводят электрический ток. Исключение составляют ионизированные вещества.
9. У газов низкая теплопроводность и теплоемкость. Конкретные показатели зависят от типа молекул.
10. Если газ находится под высоким давлением, он способен повредить стенки сосуда, если те недостаточно прочны. Объясняется это просто: чем больше давление, тем сильнее отталкиваются друг от друга частицы вещества. Потенциальная энергия газа увеличивается и вызывает взрывное расширение.

«Газы — это наиболее диффузионно-подвижные среды» — Р. Бойль

Если же газ подвергнуть высоким температурам, сначала он станет разреженным. Увеличится скорость теплового движения частиц. При достижении определенного температурного показателя произойдет тепловая ионизация, вещество перейдет в следующее агрегатное состояние – плазму.
Некоторые газы не имеют цвета, другие же заметны человеческому глазу. Например, I2, йод. Это вещество получают путем сублимации кристаллов йода, и его клубы имеют ярко выраженный фиолетовый оттенок. Но большинство соединений все же бесцветные, прозрачные и легкие, поэтому долгое время их не могли открыть и изучить.

Классификация газов

Вещества в газообразном состоянии принято делить на несколько категорий. Классификацию часто просят отразить в конспектах во время школьных занятий. Рассмотрим самые распространенные ее типы.

«Газы — это субстанции, не имеющие определенной формы и объема» — Д. Бертолет

Органические и не органические

Органическими газами являются те вещества, которые содержат углерод. Примеры:

• этилен (С2Н4);
• метиламин (CH3NH2);
• ацетилен (C2H2).

Также к этой категории относятся метан, пропан, этан. Логично, что к неорганическим соединениям относятся те, в которых C отсутствует. Это аммиак, хлор и фтор, силан, гелий, неон, аргон и так далее. Инертные и благородные газы – не органические.

Простые и сложные

Органические и не органические газы, в свою очередь, делятся на простые и сложные. Перечисленные выше органические соединения – сложные. В них содержатся разные атомы: ацетилен (C2H2) – 2 атома углерода и 2 атома водорода, этилен (С2Н4) – 2 атома углерода и 4 водорода. Если же газ получается из одного или нескольких атомов одного и того же элемента таблицы Менделеева, его называют простым.
Простые газы: кислород O2, азот O3, водород H2, хлор Cl2. Перечислять можно и дальше.

Газообразные вещества в химии

Газы в химии начинают изучать в 8 классе. Рассмотрим основные свойства, которые принято включать в учебники по предмету.
Атомы или молекулы газов соединяются между собой ковалентными связями. Они очень слабые и часто рвутся, именно поэтому вещества в газообразном агрегатном состоянии способны заполнять произвольные объемы и емкости разных форм. Бывают два вида строения решеток у газов:

• атомная;
• молекулярная.

На уроках химии газообразные вещества часто получают в лабораторных условиях. Для этого могут пользоваться разными методами: нагревать жидкость, твердые вещества, добиваться реакции между сложными соединениями. Некоторые формулы реакций:
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 – водород.
NH4Cl + NaOH = NaCl + H2O + NH3 – аммиак
CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2 – углекислый газ.
Так как многие газы прозрачны и не имеют запаха, используются дополнительные методы их обнаружения. Одни соединения усиливают пламя, другие останавливают горения. Ряд газообразных веществ может менять цвет взвешенной в воде извести, делать жидкость мутнее.

Примеры газов

В списке газов свыше 800 наименований. Стоит рассмотреть самые распространенные:

1. Кислород. Формула – O Простой газ, который состоит из двух атомов кислорода. Отличительные особенности – отсутствие запаха, цвета и вкуса. По тяжести кислород немного превосходит воздух. Газ плохо растворяется в спирте и воде, из-за чего в жидкостях часто встречаются пузырьки кислорода. Диффузия хорошо проявляется в жидком серебре. Кислород – один из самых распространенных газов. В коре нашей планеты его 47%, в атмосфере – 20%, а в мировых водах 85%.
2. Водород, обозначение – H Самый легкий из встречающихся в природе газ. Его масса меньше воздуха в 14 раз. Так же, как и кислород, бесцветен и безвкусен, полностью прозрачен. В воде растворение происходит плохо, но тот же процесс успешно протекает в палладии. Водород редко встречается в качестве отдельного элемента, большой процент частиц входит в различные соединения.
3. Углекислый газ, CO Относится к сложным органическим газам. Объем в атмосфере – менее 1%. Способен кристаллизоваться при температуре -78,3 градуса по Цельсию, переходить в жидкое состояние при температуре 18-25 и давлении 6 Мпа. Тяжелее воздуха, но разница не такая значительная, как у водорода: масса больше в 1,5 раза. В обычных концентрациях у углекислого газа нет запаха и вкуса, но при больших скоплениях появляется кислый аромат (отсюда и название).
4. Азот, N Занимает 78% атмосферы, но встречается и за пределами нашей планеты. В отличие от других газов, у азота прочная тройная связь, которую сложно разорвать. Азот растворяется в воде в 2 раза хуже, чем кислород, и в 8 раз хуже, чем водород. Вещество не имеет запаха.

Сравнение химических свойств газов

Газы	Химические свойства
Аргон (Ar)	Не реагирует с другими элементами, не является питательным для живых организмов.
Азот (N2)	Не реагирует с металлами, не горит, не поддерживает горение. В природе азот встречается в свободном состоянии в атмосфере, а также является составной частью многих органических соединений.
Водород (H2)	Горит в кислороде, образует соединения с неметаллами. В природе водород встречается в свободном виде в атмосфере, а также в составе воды и многих органических соединений.
Гелий (He)	Не реагирует с другими элементами, не является питательным для живых организмов.
Диоксид углерода (CO2)	Не горит, образует кислоты с водой. Углекислый газ является одним из главных газов, участвующих в процессах фотосинтеза. Он также образуется в результате сгорания углеводородов.
Кислород (O2)	Окисляет металлы, образует соединения с водородом. В природе кислород встречается в свободном виде в атмосфере, а также в составе многих минералов и органических соединений.
Метан (CH4)	Горит в кислороде, образует воду и углекислый газ. Метан является одним из главных компонентов природного газа, а также образуется в результате биологических процессов в животных и растениях.
Неон (Ne)	Не реагирует с другими элементами, не является питательным для живых организмов.
Фтор (F2)	Ядовитый газ, образует соединения с металлами, галогенами и кислородом. В природе встречается в виде фторида кальция и других минералов.
Хлор (Cl2)	Окисляет и разрушает органические вещества, образует кислоты с водой. Хлор является химическим элементом, который в природе встречается в виде хлорида натрия и других соединений в морской воде и в земной коре.

В таблице приведены основные газы и их химические свойства. Каждый газ имеет свои уникальные химические свойства, которые определяют его способность взаимодействовать с другими элементами и участвовать в различных химических процессах. Они находят широкое применение в различных областях, от медицины до промышленности.

«Газы — это субстанции, которые занимают пространство, но не имеют веса» — Дж. Дженнер

Все перечисленные газы входят в состав воздуха и образуют земную атмосферу. Но большая часть, 98-99%, приходится на азот и кислород.
Если имеется желание, познакомиться с газообразными веществами поближе всегда можно при помощи лабораторных экспериментов. Однако при работе с газами нужно соблюдать предельную осторожность.