Газообразные вещества сохраняют объем

Газообразные вещества: примеры и свойства

На сегодняшний день известно о существовании более чем 3 миллионов различных веществ. И цифра эта с каждым годом растет, так как химиками-синтетиками и другими учеными постоянно производятся опыты по получению новых соединений, обладающих какими-либо полезными свойствами.

Часть веществ — это природные обитатели, формирующиеся естественным путем. Другая половина — искусственные и синтетические. Однако и в первом и во втором случае значительную часть составляют газообразные вещества, примеры и характеристики которых мы и рассмотрим в данной статье.

Агрегатные состояния веществ

С XVII века принято было считать, что все известные соединения способны существовать в трех агрегатных состояниях: твердые, жидкие, газообразные вещества. Однако тщательные исследования последних десятилетий в области астрономии, физики, химии, космической биологии и прочих наук доказали, что есть еще одна форма. Это плазма.

Что она собой представляет? Это частично или полностью ионизированные газы. И оказывается, таких веществ во Вселенной подавляющее большинство. Так, именно в состоянии плазмы находятся:

  • межзвездное вещество;
  • космическая материя;
  • высшие слои атмосферы;
  • туманности;
  • состав многих планет;
  • звезды.

Поэтому сегодня говорят, что существуют твердые, жидкие, газообразные вещества и плазма. Кстати, каждый газ можно искусственно перевести в такое состояние, если подвергнуть его ионизации, то есть заставить превратиться в ионы.

Газообразные вещества: примеры

Примеров рассматриваемых веществ можно привести массу. Ведь газы известны еще с XVII века, когда ван Гельмонт, естествоиспытатель, впервые получил углекислый газ и стал исследовать его свойства. Кстати, название этой группе соединений также дал он, так как, по его мнению, газы — это нечто неупорядоченное, хаотичное, связанное с духами и чем-то невидимым, но ощутимым. Такое имя прижилось и в России.

Можно классифицировать все газообразные вещества, примеры тогда привести будет легче. Ведь охватить все многообразие сложно.

По составу различают:

К первой группе относятся те, что состоят из одинаковых атомов в любом их количестве. Пример: кислород — О2, озон — О3, водород — Н2, хлор — CL2, фтор — F2, азот — N2 и прочие.

Ко второй категории следует относить такие соединения, в состав которых входит несколько атомов. Это и будут газообразные сложные вещества. Примерами служат:

Классификация по природе веществ

Также можно классифицировать виды газообразных веществ по принадлежности к органическому и неорганическому миру. То есть по природе входящих в состав атомов. Органическими газами являются:

  • первые пять представителей предельных углеводородов (метан, этан, пропан, бутан, пентан). Общая формула CnH2n+2;
  • этилен — С2Н4;
  • ацетилен или этин — С2Н2;
  • метиламин — CH3NH2 и другие.

К категории газов неорганической природы относятся хлор, фтор, аммиак, угарный газ, силан, веселящий газ, инертные или благородные газы и прочие.

Еще одной классификацией, которой можно подвергнуть рассматриваемые соединения, является деление на основе входящих в состав частиц. Именно из атомов состоят не все газообразные вещества. Примеры структур, в которых присутствуют ионы, молекулы, фотоны, электроны, броуновские частицы, плазма, также относятся к соединениям в таком агрегатном состоянии.

Свойства газов

Характеристики веществ в рассматриваемом состоянии отличаются от таковых для твердых или жидких соединений. Все дело в том, что свойства газообразных веществ особенные. Частицы их легко и быстро подвижны, вещество в целом изотропное, то есть свойства не определяются направлением движения входящих в состав структур.

Можно обозначить самые главные физические свойства газообразных веществ, которые и будут отличать их от всех остальных форм существования материи.

  1. Это такие соединения, которые нельзя увидеть и проконтролировать, ощутить обычными человеческими способами. Чтобы понять свойства и идентифицировать тот или иной газ, опираются на четыре описывающих их все параметра: давление, температура, количество вещества (моль), объем.
  2. В отличие от жидкостей газы способны занимать все пространство без остатка, ограничиваясь лишь величиной сосуда или помещения.
  3. Все газы между собой легко смешиваются, при этом у этих соединений нет поверхности раздела.
  4. Существуют более легкие и тяжелые представители, поэтому под действием силы тяжести и времени, возможно увидеть их разделение.
  5. Диффузия — одно из важнейших свойств этих соединений. Способность проникать в другие вещества и насыщать их изнутри, совершая при этом совершенно неупорядоченные движения внутри своей структуры.
  6. Реальные газы электрический ток проводить не могут, однако если говорить о разреженных и ионизированный субстанциях, то проводимость резко возрастает.
  7. Теплоемкость и теплопроводность газов невысока и колеблется у разных видов.
  8. Вязкость возрастает с увеличением давления и температуры.
  9. Существует два варианта межфазового перехода: испарение — жидкость превращается в пар, сублимация — твердое вещество, минуя жидкое, становится газообразным.
Читайте также:  График вертикального объема tradingview

Отличительная особенность паров от истинных газов в том, что первые при определенных условиях способны перейти в жидкость или твердую фазу, а вторые нет. Также следует заметить способность рассматриваемых соединений сопротивляться деформациям и быть текучими.

Подобные свойства газообразных веществ позволяют широко применять их в самых различных областях науки и техники, промышленности и народном хозяйстве. К тому же конкретные характеристики являются для каждого представителя строго индивидуальными. Мы же рассмотрели лишь общие для всех реальных структур особенности.

Сжимаемость

При разных температурах, а также под влиянием давления газы способны сжиматься, увеличивая свою концентрацию и снижая занимаемый объем. При повышенных температурах они расширяются, при низких — сжимаются.

Под действием давления также происходят изменения. Плотность газообразных веществ увеличивается и, при достижении критической точки, которая для каждого представителя своя, может наступить переход в другое агрегатное состояние.

Основные ученые, внесшие вклад в развитие учения о газах

Таких людей можно назвать множество, ведь изучение газов — процесс трудоемкий и исторически долгий. Остановимся на самых известных личностях, сумевших сделать наиболее значимые открытия.

  1. Амедео Авогадро в 1811 году сделал открытие. Неважно, какие газы, главное, что при одинаковых условиях их в одном объеме их содержится равное количество по числу молекул. Существует рассчитанная величина, имеющая название по фамилии ученого. Она равна 6,03*10 23 молекул для 1 моль любого газа.
  2. Ферми — создал учение об идеальном квантовом газе.
  3. Гей-Люссак, Бойль-Мариотт — фамилии ученых, создавших основные кинетические уравнения для расчетов.
  4. Роберт Бойль.
  5. Джон Дальтон.
  6. Жак Шарль и многие другие ученые.

Строение газообразных веществ

Самая главная особенность в построении кристаллической решетки рассматриваемых веществ, это то, что в узлах ее либо атомы, либо молекулы, которые соединяются друг с другом слабыми ковалентными связями. Также присутствуют силы ван-дер-ваальсового взаимодействия, когда речь идет о ионах, электронах и других квантовых системах.

Поэтому основные типы строения решеток для газов, это:

Связи внутри легко рвутся, поэтому эти соединения не имеют постоянной формы, а заполняют весь пространственный объем. Это же объясняет отсутствие электропроводности и плохую теплопроводность. А вот теплоизоляция у газов хорошая, ведь, благодаря диффузии, они способны проникать в твердые тела и занимать свободные кластерные пространства внутри них. Воздух при этом не пропускается, тепло удерживается. На этом основано применение газов и твердых тел в совокупности в строительных целях.

Простые вещества среди газов

Какие по строению и структуре газы относятся к данной категории, мы уже оговаривали выше. Это те, что состоят из одинаковых атомов. Примеров можно привести много, ведь значительная часть неметаллов из всей периодической системы при обычных условиях существует именно в таком агрегатном состоянии. Например:

  • фосфор белый — одна из аллотропных модификаций данного элемента;
  • азот;
  • кислород;
  • фтор;
  • хлор;
  • гелий;
  • неон;
  • аргон;
  • криптон;
  • ксенон.

Молекулы этих газов могут быть как одноатомными (благородные газы), так и многоатомными (озон — О3). Тип связи — ковалентная неполярная, в большинстве случаев достаточно слабая, но не у всех. Кристаллическая решетка молекулярного типа, что позволяет этим веществам легко переходить из одного агрегатного состояния в другое. Так, например, йод при обычных условиях — темно-фиолетовые кристаллы с металлическим блеском. Однако при нагревании сублимируются в клубы ярко-фиолетового газа — I2.

К слову сказать, любое вещество, в том числе металлы, при определенных условиях могут существовать в газообразном состоянии.

Сложные соединения газообразной природы

Таких газов, конечно, большинство. Различные сочетания атомов в молекулах, объединенные ковалентными связями и ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, позволяют сформироваться сотням различных представителей рассматриваемого агрегатного состояния.

Читайте также:  Вычислите объем водорода образовавшегося при взаимодействии 48 г магния с избытком серной кислоты

Примерами именно сложных веществ среди газов могут быть все соединения, состоящие из двух и более разных элементов. Сюда можно отнести:

  • пропан;
  • бутан;
  • ацетилен;
  • аммиак;
  • силан;
  • фосфин;
  • метан;
  • сероуглерод;
  • сернистый газ;
  • бурый газ;
  • фреон;
  • этилен и прочие.

Кристаллическая решетка молекулярного типа. Многие из представителей легко растворяются в воде, образуя соответствующие кислоты. Большая часть подобных соединений — важная часть химических синтезов, осуществляемых в промышленности.

Метан и его гомологи

Иногда общим понятием «газ» обозначают природное полезное ископаемое, которое представляет собой целую смесь газообразных продуктов преимущественно органической природы. Именно он содержит такие вещества, как:

  • метан;
  • этан;
  • пропан;
  • бутан;
  • этилен;
  • ацетилен;
  • пентан и некоторые другие.

В промышленности они являются очень важными, ведь именно пропан-бутановая смесь — это бытовой газ, на котором люди готовят пищу, который используется в качестве источника энергии и тепла.

Многие из них используются для синтеза спиртов, альдегидов, кислот и прочих органических веществ. Ежегодное потребление природного газа исчисляется триллионами кубометров, и это вполне оправданно.

Кислород и углекислый газ

Какие вещества газообразные можно назвать самыми широко распространенными и известными даже первоклассникам? Ответ очевиден — кислород и углекислый газ. Ведь это они являются непосредственными участниками газообмена, происходящего у всех живых существ на планете.

Известно, что именно благодаря кислороду возможна жизнь, так как без него способны существовать только некоторые виды анаэробных бактерий. А углекислый газ — необходимый продукт «питания» для всех растений, которые поглощают его с целью осуществления процесса фотосинтеза.

С химической точки зрения и кислород, и углекислый газ — важные вещества для проведения синтезов соединений. Первый является сильным окислителем, второй чаще восстановитель.

Галогены

Это такая группа соединений, в которых атомы — это частицы газообразного вещества, соединенные попарно между собой за счет ковалентной неполярной связи. Однако не все галогены — газы. Бром — это жидкость при обычных условиях, а йод — легко возгоняющееся твердое вещество. Фтор и хлор — ядовитые опасные для здоровья живых существ вещества, которые являются сильнейшими окислителями и используются в синтезах очень широко.

Источник

Межмолекулярное строение твердых тел, жидкостей и газов. Агрегатные состояния

Содержание

Чтобы подробнее рассмотреть свойства веществ, нам необходимо разобраться в их молекулярном строении.

Рассмотрим пример. После дождя появилась лужа. Если ударит мороз, и лужа замерзнет, то по ней уже можно будет проехаться. В жару вода из лужи быстро испарится, превратившись в пар. Но разве в этих случаях лужа будет состоять из другого вещества?

Нет, она все так же состоит из одних и тех же молекул. Лед, пар и вода — это одно и то же вещество, но молекулы в нем могут по-разному располагаться и взаимодействовать.

В таких случаях говорят, что вещество способно пребывать в разных состояниях или переходить из одного в другое (рисунок 1).

Агрегатные состояние вещества

Агрегатные состояния — это состояния одного вещества, при которых его свойства значительно различаются. Оно определяется расположением молекул вещества и характером их движения.

Какие три состояния вещества вам известны? Различают 3 основных агрегатных состояния: твердое, жидкое и газообразное.

Но у веществ существуют и другие состояния. При очень больших температурах молекулы склонны распадаться на составляющие их атомы, ионы и электроны, о которых пойдет речь позже. Из этих частиц состоит плазма — одно из состояний вещества.

Мы можем ее наблюдать в виде пламени костра или свечи. Вещества, из которых состоит Солнце, тоже пребывают в плазменном состоянии, плазма в атмосфере вызывает полярное сияние. На свойствах плазмы базируется принцип работы плазменных телевизоров.

Бывают неустойчивые состояния веществ: переохлажденные или перегретые жидкости. Они достигаются охлаждением жидкости ниже температуры кристаллизации либо нагревом ее выше температуры испарения при определенных условиях. При этом, незначительное внешнее воздействие на такую жидкость вызывает ее резкий переход в твердое либо газообразное состояние.

Но сейчас мы рассмотрим подробнее основные агрегатные состояния.

Твердое агрегатное состояние

Твердым можно назвать любой предмет, сохраняющий свою форму, если его специально не разрушать. Другими словами — это такое агрегатное состояние вещества, при котором оно сохраняет свой объем и форму.

Молекулы/атомы в таком веществе находятся на определенных позициях, они могут колебаться на своих местах, но их положение по отношению к другим молекулам/атомам практически не меняется (рисунок 2).

Читайте также:  Faw besturn t77 объем багажника

В твердых кристаллических веществах атомы образуют кристаллическую решетку (лед, соль, металлы и др.) — рисунок 3.

В твердых телах притяжение между молекулами (атомами) намного больше, чем у жидкостей. Поэтому в обычных условиях твердые тела сохраняют свою форму и объем.

В твердых аморфных веществах атомы расположены беспорядочно, не имеют кристаллической структуры, но и не находятся в постоянном движении (смола, янтарь). Обычно характеризуются невысокой температурой плавления, из-за чего могут легко переходить в другое агрегатное состояние и обладать текучестью.

Жидкое агрегатное состояние

К жидкостям относят тела, изменить форму которых очень легко, чего нельзя сказать про их объем.

Например, налив воду из графина в стакан, жидкость примет форму сосуда, но её объем останется прежним (рисунок 4).

Наполним шприц водой, закроем пальцем отверстие и попробуем сжать воду. У нас ничего не получится. Жидкость практически несжимаема. Это такое агрегатное состояние, в котором тело способно сохранять свой объем, но не сохраняет форму.

Молекулы жидкости находятся довольно близко (расстояние между каждыми двумя молекулами меньше размеров молекул) и их взаимодействие ощутимое. Молекулярное строение жидкости представлено на рисунке 5.

Также на свойстве жидкости легко изменять свою форму основано изготовление предметов из расплавленного стекла (рисунок 6).

Молекулы жидкости не расходятся на большие расстояния и жидкость в обычных условиях сохраняет свой объем, но не сохраняет форму.

В состоянии невесомости жидкость имеет форму шара, потому что внешние силы уравновешены и форма определяется только силами молекулярного взаимодействия. У последних нет единого направления, поэтому форма жидкости симметрична в любых направлениях.

Газообразное агрегатное состояние

Большинство газов бесцветны и прозрачны, а потому невидимы. Его присутствие мы можем почувствовать при дуновении ветра, сквозняка в комнате или же на примере простых опытов (рисунок 7).

Опустим в воду воронку, предварительно соединив ее резиновой трубкой со стеклянной трубочкой. Из трубочки начнут выходить пузырьки воздуха, которые до этого были в воронке и во всей системе в целом. Подобные простые опыты подтверждают наличие воздуха вокруг нас.

Каково расположение молекул газа? Молекулы газа находятся на больших расстояниях друг от друга и в постоянном хаотичном движении. Поэтому часто взаимодействие между молекулами газа не учитывается, и большое пространство между частицами позволяет сильно сжимать газы. Молекулярное строение газа представлено на рисунке 8.

Газы не имеют собственной формы и постоянного объема. Они принимают форму сосуда и полностью заполняют предоставленный им объем.

Задания

Задание №1

Налейте в пластмассовую бутылку воды до верху и закройте крышкой. Попытайтесь сдать в ней воду. Затем вылейте воду, снова закройте бутылочку. Теперь попробуйте сжать воздух. Объясните результаты опыта.

Существенно сжать бутылку, наполненную водой, у нас не получится. Максимум, вы только помнете бутылку, но ее объем останется прежним. Связано это с тем, что в воде расстояние между молекулами небольшое, и она практически несжимаема.

А вот когда мы выльем из бутылки воду, то сможем значительно деформировать бутылку и уменьшить ее объем. Почему? Теперь бутылку наполняет воздух. А его молекулы находятся на больших расстояниях друг от друга, поэтому нам было так легко сжать этот газ внутри бутылки.

Задание №2

На блюдце с холодной водой поставьте перевернутый очень теплый стакан. Через 15-20 минут проследите за уровнем воды в стакане и блюдце. Объясните результат опыта.

Через некоторое время вы увидите, что уровень воды в стакане поднялся. Он стал выше уровня воды в блюдце (рисунок 10).

После того, как мы поставили горячий стакан с таким же воздухом внутри на блюдце с холодной водой, между всеми этими телами начался теплообмен. Это означает, что вода начала нагреваться, а воздух в стакане, наоборот, начал охлаждаться.

А что происходит с телами при их охлаждении или нагревании? Они соответственно сжимаются или расширяются. Так, через 15 минут теплый воздух охладился и сжался, а вода, наоборот, расширилась и заняла место в стакане.

На самом деле, здесь большое значение имеет давление, которое оказывают те или иные тела, включая и воздух вокруг нас. Об этом понятии вы узнаете на следующих уроках.

Источник

Поделиться с друзьями
Объясняем