Газообразные вещества и их характеристика

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

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.
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.

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.

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

Благородные газы

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

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

Виды 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.

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.