Какие основные свойства газов

Физические законы и параметры газов являются основополагающими для создания вакуумных систем. Даже при крайне низких значениях давлений, используемых в вакуумной технике, физические процессы, протекающие в газах, подчиняются общим газовым законам. Необходимость создания вакуума обычно связана с потребностью уменьшения концентрации молекул газа или частоты их столкновений с поверхностью сосуда. Газовые процессы в вакуумных системах можно, как правило, рассматривать с точки зрения законов идеального газа, а некоторые общие физические процессы вакуумных систем могут быть описаны с помощью статических и динамических свойств газов. Физические процессы, протекающие в газах при низком давлении, а также различные параметры и свойства газового потока рассмотрены ниже.

Параметры состояния газа

Если взять образец газа, то для описания его состояния достаточно знать три из четырех параметров. Этими параметрами являются давление, объем, температура и количество газа.

Давление – это сила, с которой газ воздействует на единицу площади поверхности сосуда. В СИ единицей измерения давления является паскаль, или ньютон на квадратный метр (Н/м2). В вакуумной технике также используется единица измерения миллиметр ртутного столба, или Торр: 1 мм рт. ст. = 133 Па (1 Па = 7,5 мм рт. ст.).

Объем – мера пространства, которое занимает газ; обычно он задается размерами сосуда. Единицей объема в СИ является кубический метр (м3), однако для обозначения быстроты откачки и потока газа, а также других величин широко используются литры.

Температура газа при давлении ниже 1 Торр главным образом определяется температурой поверхностей, с которыми он соприкасается. Как правило, газ находится при комнатной температуре. При выводе уравнений, описывающих состояние газов, для измерения температуры используют Кельвины (К).

Количество газа в данном объеме измеряется в молях.

Моль – число граммов газа (или любого вещества), равное его молекулярной массе. Моль содержит 6,02 х 1023 молекул. Один моль любого газа при 0 °С и давлении 760 Торр занимает объем, равный 22,4 л. Масса 1 моля газа равна его молекулярной массе в граммах.

Молярный объем является универсальной постоянной. Экспериментально установлено, что он составляет 22,414 л при 760 Торр и 0 °С. Поскольку 1 моль любого газа при температуре 0 °С и давлении 760 Торр занимает объем 22,4 л, из этого соотношения можно рассчитать молекулярную концентрацию любого объема газа, если известны его температура и давление. Например, 1 см3 воздуха при 760 Торр и 0 °С содержит 2,7 x 1019 молекул; в то время как при давлении 1 Торр и температуре 0 °С 1 см3 воздуха содержит 3,54 x 1016 молекул.

Газовые законы

Газовые законы устанавливают соотношения между физическими параметрами состояния газа (давление, объем, температура и количество газа) при постоянном значении одного из параметров. Эти законы справедливы для идеального газа в котором объем всех молекул является незначительным по сравнению с объемом газа, и энергия притяжения между молекулами является незначительной по сравнению с их средней тепловой энергией. Это означает, что данное вещество (в данном случае газ) находится в газообразном состоянии при температуре, которая достаточно высока для его конденсации. К газам, по своим свойствам близким к идеальным при комнатной температуре, относятся 02, Ne, Аг, СО, Н2 и NO.
Ниже приведены общие формулировки газовых законов.
Закон Бойля – произведение давления на объем рУ, где р – давление газа, V – его объем, является постоянной величиной для данной массы газа при постоянной температуре.
Закон Гей-Люссака – величина V/T, где Т- абсолютная температура газа, является постоянной для данной массы газа при постоянном давлении.
Закон Авогадро – равные объемы различных газов при одинаковых температуре и давлении содержат одно и то же количество молекул. Из этого закона можно получить важное соотношение между числом молей газа и давлением, которое создает газ.
Основное уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона) устанавливает зависимость между давлением, объемом и температурой для данной массы газа, т. е. теми параметрами, которые необходимы для описания состояния газа:

$$pV=MRT, (1.1)$$

где R – универсальная газовая постоянная данного газа, R = 8,31 ДжДмоль К) (62,4 Торр-л/(моль x К)); М – это число молей в объеме V
Данный закон будет справедлив и для большинства газов, которые при низких давлениях ведут себя как идеальные газы.

Закон парциальных давлений Дальтона – общее давление, создаваемое смесью газов, равняется сумме парциальных давлений, создаваемых отдельными компонентами смеси.

Парциальное давление, создаваемое одним компонентом смеси газов, – это давление, создаваемое этим компонентом, если бы он занимал весь объем.

Закон Авогадро – равные объемы идеального газа при постоянных температуре и давлении содержат одно и то же количество молекул.

Число Авогадро – число молекул в 1 моле газа или любого вещества, является универсальной постоянной и составляет 6,023 • 1023.

Число Лошмидта – число молекул в кубическом сантиметре газа при атмосферном давлении и температуре 0 °С. Это универсальная постоянная, равная 2,637 x 1019.
Для 1 моля газа при атмосферном давлении и температуре 0 °С (273,2 К), занимающего объем V = 22,414 л, R= 8.31 Дж/(моль x К) или в тепловых единицах R/J= 1,99 кал/К (У – механический эквивалент теплоты, J = 4,182 Дж кал). Следовательно, количество теплоты 1,99 кал будет повышать температуру 1 моля любого идеального газа на 1 К, или после повышения температуры 1 моля любого идеального газа на 1 К увеличение энергии газа составит 8,31 Дж.

Неидеальные газы

Примерами некоторых распространенных неидеальных газов являются аммиак, этан, бензол, диоксид углерода (углекислый газ), пары ртути, SO и S02. Газовые законы должны описывать физические процессы, протекающие в любом газе при температуре выше критической. При критической температуре, Тс, газ начинает конденсироваться. Ниже этой критической температуры имеет место давление паров над жидким конденсатом, которое называется давлением пара. Если газ конденсируется (его объем уменьшается), давление изменяться не будет, но большее количество газа будет переходить в жидкую фазу. По мере снижения температуры над жидкостью будет присутствовать меньшее количество молекул, при этом давление паров также будет снижаться.

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.
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

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

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.