Газоподібні речовини – хімія

Більшість речовин, залежно від умов, можуть перебувати в одному з трьох фазових, або агрегатних, станів:

Наприклад, вода зустрічається в трьох агрегатних станах:

• рідка;
• тверда (лід);
• газоподібна (водяна пара).

У газовій фазі відстань між атомами або молекулами у багато разів перевищує розміри самих частинок. При атмосферному тиску обсяг судини в сотні тисяч разів більше власної обсягу молекул газу, тому для газів виконується закон Авогадро:

Закон Авогадро

З цього закону випливає важливий наслідок: 1 моль будь-якого газу при нормальних умовах (760 мм рт. Ст. І 0°С) займає обсяг 22,4 л. Цей обсяг, як ви знаєте, називають молярним об’ємом газів (VM = 22,4 л / моль).

Слабкі сили притягання молекул газу не можуть утримати їх один біля одного, тому гази не мають власної форми та об’єму, а займають весь обсяг посудини, в якому знаходяться.

Гази легко стискаються. При цьому змінюється міжмолекулярна відстань. Завдяки великій відстані між молекулами будь гази змішуються один з одним в будь-яких співвідношеннях. Найважливішими природними сумішами газів є повітря і природний газ.

Склад повітря в даний час відносно постійний, він складався мільйони років завдяки фотосинтезу, здійснюваному рослинами. Історію виникнення та розвитку атмосфери Землі можна представити у вигляді схеми.

На відміну від повітря, складу іншої суміші, що сформувалася в надрах Землі, – природного газу залежить від родовища. Проте основу його складають граничні вуглеводні: метан і його гомологи

Мудра природа розмістила ці газові суміші на планеті щодо ізольовано один від одного. Якщо ж станеться їх перемішування, це може закінчитися катастрофою, що нерідко відбувається при недотриманні правил техніки безпеки в шахтах, рудниках, місцях нафто- і газовидобутку, та й просто в побутових умовах. Тому при відчутті найменшого запаху «газу» необхідно провітрити приміщення, не вмикати електроприлади, уникати будь-якого вогню і негайно звернутися в газову службу.

Природний газ – це не тільки дешеве, екологічно чисте, енергетично та економічно вигідне паливо, але також і цінна хімічна сировина.

Один з продуктів переробки природного газу – це водень.

Водень Н₂ – найлегший газ. Його використовують для виробництва аміаку, хлороводню, отримання маргарину, водневої різання і зварювання металів, в якості палива для двигунів космічних кораблів. Водень – це перспективний екологічно чисте автомобільне паливо.

Так як водень найлегший з газів, його збирають в перевернутий догори дном судину. Визначають чистоту водню по характерному звуку вибуху його невеликої кількості. Цей ефект може бути різним: глухий хлопок, якщо в посудині знаходився чистий водень, і характерний «гавкаючий» звук, якщо водень містив домішка повітря.

Суміш двох об’ємів водню та одного об’єму кисню називають гримучим газом, так як вона при підпалюванні вибухає.

Кисень O₂, як ви вже знаєте, становить 21% атмосфери. Крім кисню, у верхніх шарах атмосфери міститься аллотропна видозміна кисню – озон O₃. Атмосферний озон інтенсивно поглинає ультрафіолетові промені. Таким чином, озоновий шар захищає життя на Землі від їх згубного впливу.

Разом з тим атмосфера пропускає інфрачервоне випромінювання Сонця.

Атмосфера, завдяки вмісту в ній озону, вуглекислого газу та водяної пари, малопроникна для інфрачервоного випромінювання Землі. Якби ці гази не містилися в атмосфері, Земля перетворилася б на неживий куля, середня температура на поверхні якого була б -23°С, у той час як фактично вона дорівнює +14,8°С.

Склад атмосфери може змінюватися в результаті антропогенного (викликаного діяльністю людини на природу) забруднення. Наприклад, оксиди сірки та азоту утворюють в атмосфері азотну і сірчану кислоти, що випадають у вигляді кислотних дощів і викликають загибель рослин і тварин. Вони завдають великої шкоди архітектурним пам’яткам, руйнують металеві дахи та конструкції – мости і опори.

Штучне забруднення довкілля надає непряме вплив на атмосферу, змінюючи її властивості.

Так, в результаті зростаючого спалювання палива і зменшення площ, зайнятих рослинністю, темпи фотосинтетичного відновлення кисню з вуглекислого газу в даний час зменшилася на 30% за останні 10 тис. років. Щорічна спад кисню становить 31620000000 т. Якщо врахувати, що в атмосфері міститься 1200 трлн т кисню, то його кількість в атмосфері за рік зменшується на 0,0025%. Здавалося б, це небагато, але, очевидно, може постати питання про введення обмежень на споживання кисню.

Накопичення вуглекислого газу та інших речовин в атмосфері – причина парникового ефекту.

Розглянемо це явище. Максимальна концентрація озону в атмосфері спостерігається на висоті 20-25 км. Відомо, що озон поглинає ультрафіолетові промені.

При цьому він сильно розігрівається і перешкоджає втраті тепла нижніми шарами атмосфери. Крім цього, озон, як і вуглекислий газ, поглинає інфрачервоне випромінювання Землі. Отже, озон не тільки рятує все живе на Землі від ультрафіолетових променів, але разом з вуглекислим газом відіграє важливу роль у тепловому балансі атмосфери Землі.

Парниковий ефект призводить до глобального потепління клімату. Щоб зрозуміти, як воно виникає, згадайте, як нагрівається автомобіль зсередини, коли він стоїть з закритими вікнами на сонці. Сонячне світло проникає через скло і поглинається сидіннями та іншими предметами салону. При цьому світлова енергія перетворюється на теплову, яку предмети відображають у вигляді інфрачервоного випромінювання. На відміну від світла, воно майже не проникає крізь скла назовні, тобто залишається всередині автомобіля. За рахунок цього підвищується температура.

Те ж саме відбувається і в парнику, від чого і стався термін «парниковий ефект».

Атмосфера – це не тільки середовище, в якому ми живемо. Повітря атмосфери служить основним джерелом отримання кисню в промисловості. Області застосування кисню можна охарактеризувати двома словами: дихання і горіння.

Газоподібні речовини: приклади та властивості

На сьогоднішній день відомо про існування більш ніж 3 мільйонів різних речовин. І цифра ця з кожним роком зростає, оскільки хіміками-синтетики та іншими вченими постійно виробляються досліди одержання нових сполук, що володіють якими-небудь корисними властивостями.

• Агрегатні стани речовин
• Газоподібні речовини: приклади
• Класифікація за природою речовин
• Властивості газів
• Стисливість
• Основні вчені, які зробили внесок у розвиток вчення про гази
• Будова газоподібних речовин
• Прості речовини серед газів
• Складні сполуки газоподібної природи
• Метан та її гомологи
• Кисень і вуглекислий газ
• Галогени

Частина речовин – це природні мешканці, що формуються природним шляхом. Інша половина – штучні і синтетичні. Однак і в першому і в другому випадку значну частину складають газоподібні речовини, приклади і характеристики яких ми і розглянемо в даній статті.

Агрегатні стани речовин

З XVII століття прийнято було вважати, що всі відомі сполуки здатні існувати в трьох агрегатних станах: тверді, рідкі, газоподібні речовини. Проте ретельні дослідження останніх десятиліть в області астрономії, фізики, хімії, космічної біології та інших наук довели, що є ще одна форма. Це плазма.

Що вона собою являє? Це частково або повністю іонізовані гази. І виявляється, таких речовин у Всесвіті переважна більшість. Так, саме у стані плазми знаходяться:

• міжзоряний речовина;
• космічна матерія;
• вищі шари атмосфери;
• туманності;
• складу багатьох планет;
• зірки.

Тому сьогодні кажуть, що існують тверді, рідкі, газоподібні речовини і плазма. До речі, кожен газ можна штучно перевести в такий стан, якщо піддати його іонізації, тобто змусити перетворитися на іони.

Газоподібні речовини: приклади

Прикладів розглянутих речовин можна привести масу. Адже гази відомі ще з XVII століття, коли ван Гельмонт, натураліст, вперше отримав вуглекислий газ і став досліджувати його властивості. До речі, назва цієї групи з’єднань також дав він, так як, на його думку, гази – це щось невпорядковане, хаотичне, пов’язане з духами і чимось невидимим, але відчутним. Таке ім’я прижилося і в Росії.

Можна класифікувати всі газоподібні речовини, приклади тоді привести буде легше. Адже охопити все різноманіття складно.

За складом розрізняють:

До першої групи належать ті, що складаються з однакових атомів в будь-якому їх кількості. Приклад: кисень – Про₂, озон – О₃, водень – Н₂, хлор – CL₂, фтор – F₂, азот – N₂ та інші.

До другої категорії слід відносити такі сполуки, до складу яких входить кілька атомів. Це і будуть газоподібні складні речовини. Прикладами служать:

Класифікація за природою речовин

Також можна класифікувати види газоподібних речовин за належністю до органічних і неорганічних світу. Тобто за природою входять до складу атомів. Органічними газами є:

• перші п’ять представників граничних вуглеводнів (метан, етан, пропан, бутан, пентан). Загальна формула C_nH_{2n + 2};
• етилен – З₂Н₄;
• ацетилен або Етін – З₂Н₂;
• метиламін – CH₃NH₂ та інші.

До категорії газів неорганічної природи відносяться хлор, фтор, аміак, чадний газ, силан, звеселяючий газ, інертні чи благородні гази та інші.

Ще однією класифікацією, якої можна піддати розглядаються з’єднання, є розподіл на основі входять до складу частинок. Саме з атомів складаються не всі газоподібні речовини. Приклади структур, в яких присутні іони, молекули, фотони, електрони, броунівський частинки, плазма, також відносяться до з’єднань в такому агрегатному стані.

Властивості газів

Характеристики речовин в розглянутому стані відрізняються від таких для твердих або рідких сполук. Вся справа в тому, що властивості газоподібних речовин особливі. Частинки їх легко і швидко рухливі, речовина в цілому изотропное, тобто властивості не визначаються напрямком руху входять до складу структур.

Можна позначити найголовніші фізичні властивості газоподібних речовин, які і будуть відрізняти їх від всіх інших форм існування матерії.

1. Це такі сполуки, які не можна побачити і проконтролювати, відчути звичайними людськими способами. Щоб зрозуміти властивості та ідентифікувати той чи інший газ, спираються на чотири описують їх все параметра: тиск, температура, кількість речовини (моль), обсяг.
2. На відміну від рідин гази здатні займати весь простір без залишку, обмежуючись лише величиною судини або приміщення.
3. Всі гази між собою легко змішуються, при цьому в цих з’єднань немає поверхні розділу.
4. Існують більш легкі і важкі представники, тому під дією сили тяжіння і часу, можливо побачити їх поділ.
5. Дифузія – одна з найважливіших властивостей цих сполук. Здатність проникати в інші речовини і насичувати їх зсередини, здійснюючи при цьому абсолютно невпорядковані рухи всередині своєї структури.
6. Реальні гази електричний струм проводити не можуть, однак якщо говорити про розріджених і іонізований субстанціях, то провідність різко зростає.
7. Теплоємність і теплопровідність газів невисока і коливається у різних видів.
8. В’язкість зростає із збільшенням тиску і температури.
9. Існує два варіанти міжфазового переходу: випаровування – рідина перетворюється на пару, сублімація – тверда речовина, минаючи рідкий, стає газоподібним.

Відмітна особливість парів від істинних газів в тому, що перші за певних умов здатні перейти в рідину або тверду фазу, а другі ні. Також слід зауважити здатність розглянутих з’єднань пручатися деформацій і бути текучими.

Подібні властивості газоподібних речовин дозволяють широко застосовувати їх в самих різних галузях науки і техніки, промисловості і народному господарстві. До того ж конкретні характеристики є для кожного представника строго індивідуальними. Ми ж розглянули лише загальні для всіх реальних структур особливості.

Стисливість

При різних температурах, а також під впливом тиску гази здатні стискатися, збільшуючи свою концентрацію і знижуючи обіймав обсяг. При підвищених температурах вони розширюються, при низьких – стискаються.

Під дією тиску також відбуваються зміни. Щільність газоподібних речовин збільшується і, при досягненні критичної точки, яка для кожного представника своя, може наступити перехід в інший агрегатний стан.

Основні вчені, які зробили внесок у розвиток вчення про гази

Таких людей можна назвати безліч, адже вивчення газів – процес трудомісткий і історично довгий. Зупинимося на найвідоміших особистостях, які зуміли зробити найбільш значущі відкриття.

1. Амедео Авогадро в 1811 році зробив відкриття. Неважливо, які гази, головне, що при однакових умовах їх в одному обсязі їх міститься рівну кількість по числу молекул. Існує розрахована величина, що має назву за прізвищем ученого. Вона дорівнює 6,03 * 10 23 молекул для 1 моль будь-якого газу.
2. Фермі – створив вчення про ідеальний квантовому газі.
3. Гей-Люссак, Бойль-Маріотт – прізвища вчених, що створили основні кінетичні рівняння для розрахунків.
4. Роберт Бойль.
5. Джон Дальтон.
6. Жак Шарль і багато інших вчених.

Будова газоподібних речовин

Найголовніша особливість у побудові кристалічної решітки розглянутих речовин, це те, що у вузлах її або атоми, або молекули, які з’єднуються один з одним слабкими ковалентними зв’язками. Також присутні сили ван дер Ваальсових взаємодії, коли йдеться про іонах, електронах і інших квантових системах.

Тому основні типи будови решіток для газів, це:

Зв’язки всередині легко рвуться, тому ці сполуки не мають постійної форми, а заповнюють весь просторовий об’єм. Це ж пояснює відсутність електропровідності і погану теплопровідність. А ось теплоізоляція в газів хороша, адже, завдяки дифузії, вони здатні проникати в тверді тіла і займати вільні кластерні простору всередині них. Повітря при цьому не пропускається, тепло утримується. На цьому засновано застосування газів і твердих тіл в сукупності в будівельних цілях.

Прості речовини серед газів

Які за будовою і структурі гази відносяться до даної категорії, ми вже обмовляли вище. Це ті, що складаються з однакових атомів. Прикладів можна навести багато, адже значна частина неметалів з усієї періодичної системи при звичайних умовах існує саме в такому агрегатному стані. Наприклад:

• фосфор білий – одна з аллотропних модифікацій даного елемента;
• азот;
• кисень;
• фтор;
• хлор;
• гелій;
• неон;
• аргон;
• криптон;
• ксенон.

Молекули цих газів можуть бути як одноатомними (благородні гази), так і багатоатомними (озон – О₃). Тип зв’язку – ковалентний неполярний, в більшості випадків достатньо слабка, але не у всіх. Кристалічна решітка молекулярного типу, що дозволяє цим речовинам легко переходити з одного агрегатного стану в інший. Так, наприклад, йод при звичайних умовах – темно-фіолетові кристали з металевим блиском. Однак при нагріванні сублимируются в клуби яскраво-фіолетового газу – I₂.

До слова сказати, будь-яка речовина, у тому числі метали, за певних умов можуть існувати в газоподібному стані.

Складні сполуки газоподібної природи

Таких газів, звичайно, більшість. Різні поєднання атомів в молекулах, об’єднані ковалентними зв’язками і ван-дер-ваальсовими взаємодіями, дозволяють сформуватися сотням різних представників розглянутого агрегатного стану.

Прикладами саме складних речовин серед газів можуть бути всі сполуки, що складаються з двох і більше різних елементів. Сюди можна віднести:

• пропан;
• бутан;
• ацетилен;
• аміак;
• силан;
• фосфін;
• метан;
• сірковуглець;
• сірчистий газ;
• бурий газ;
• фреон;
• етилен та інші.

Кристалічна решітка молекулярного типу. Багато хто з представників легко розчиняються у воді, утворюючи відповідні кислоти. Велика частина подібних сполук – важлива частина хімічних синтезів, здійснюваних в промисловості.

Метан та її гомологи

Іноді загальним поняттям “газ” позначають природне корисна копалина, яке являє собою цілу суміш газоподібних продуктів переважно органічної природи. Саме він містить такі речовини, як:

• метан;
• етан;
• пропан;
• бутан;
• етилен;
• ацетилен;
• пентан і деякі інші.

У промисловості вони є дуже важливими, адже саме пропан-бутанова суміш – це побутовий газ, на якому люди готують їжу, який використовується в якості джерела енергії і тепла.

Багато хто з них використовуються для синтезу спиртів, альдегідів, кислот та інших органічних речовин. Щорічне споживання природного газу обчислюється трильйонами кубометрів, і це цілком виправдано.

Кисень і вуглекислий газ

Які речовини газоподібні можна назвати самими широко поширеними і відомими навіть першокласникам? Відповідь очевидна – кисень і вуглекислий газ. Адже це вони є безпосередніми учасниками газообміну, що відбувається у всіх живих істот на планеті.

Відомо, що саме завдяки кисню можливе життя, так як без нього здатні існувати тільки деякі види анаеробних бактерій. А вуглекислий газ – необхідний продукт “харчування” для всіх рослин, які поглинають його з метою здійснення процесу фотосинтезу.

З хімічної точки зору і кисень, і вуглекислий газ – важливі речовини для проведення синтезів сполук. Перший є сильним окислювачем, другий частіше відновник.

Галогени

Це така група сполук, в яких атоми – це частинки газоподібної речовини, з’єднані попарно між собою за рахунок ковалентного неполярной зв’язку. Однак не всі галогени – гази. Бром – це рідина при звичайних умовах, а йод – легко переганяється тверда речовина. Фтор і хлор – отруйні небезпечні для здоров’я живих істот речовини, які є найсильнішими окислювачами і використовуються в синтезах дуже широко.