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 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:
- простые,
- сложные молекулы.
К первой группе относятся те, что состоят из одинаковых атомов в любом их количестве. Пример: кислород - О 2 , озон - О 3 , водород - Н 2 , хлор - CL 2 , фтор - F 2 , азот - N 2 и прочие.
- сероводород - H 2 S;
- хлороводород - HCL;
- метан - CH 4;
- сернистый газ - SO 2 ;
- бурый газ - NO 2 ;
- фреон - CF 2 CL 2 ;
- аммиак - NH 3 и прочие.
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 (метан, этан, пропан, бутан, пентан). Общая формула C n H 2n+2 ;
- этилен - С 2 Н 4 ;
- ацетилен или этин - С 2 Н 2 ;
- метиламин - CH 3 NH 2 и другие.
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.
- 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.
- В отличие от жидкостей газы способны занимать все пространство без остатка, ограничиваясь лишь величиной сосуда или помещения.
- Все газы между собой легко смешиваются, при этом у этих соединений нет поверхности раздела.
- Существуют более легкие и тяжелые представители, поэтому под действием силы тяжести и времени, возможно увидеть их разделение.
- 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.
- Реальные газы электрический ток проводить не могут, однако если говорить о разреженных и ионизированный субстанциях, то проводимость резко возрастает.
- Теплоемкость и теплопроводность газов невысока и колеблется у разных видов.
- Вязкость возрастает с увеличением давления и температуры.
- Существует два варианта межфазового перехода: испарение - жидкость превращается в пар, сублимация - твердое вещество, минуя жидкое, становится газообразным.
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.
- 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.
- Ферми - создал учение об идеальном квантовом газе.
- Гей-Люссак, Бойль-Мариотт - фамилии ученых, создавших основные кинетические уравнения для расчетов.
- Роберт Бойль.
- Джон Дальтон.
- 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:
- атомная;
- молекулярная.
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 данного элемента;
- азот;
- кислород;
- фтор;
- хлор;
- гелий;
- неон;
- аргон;
- криптон;
- ксенон.
Молекулы этих газов могут быть как одноатомными (благородные газы), так и многоатомными (озон - О 3). 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 - I 2 .
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.
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.
Упражнение 1. Вставьте вместо точек данные прилагательные жидкий, твёрдый, газообразный .
Упражнение 2. Ответьте на вопросы.
1. Какие вещества есть в природе?
2. В каком состоянии находится соль?
3. В каком состоянии находится бром?
4. В каком состоянии находится азот?
5. В каком состоянии находятся водород и кислород?
Упражнение 3. Вставьте вместо точек нужные слова.
1. В природе есть … вещества.
2. Бром находится в … состоянии.
3. Соль – это … вещество.
4. Азот находится в … состоянии.
5. Водород и кислород – это … вещества.
6. Они находятся в … состоянии.
Упражнение 4. Прослушайте текст. Прочитайте его вслух.
Химические вещества растворяются или не растворяются в воде. Например, сера (S) не растворяется в воде. Йод (I 2) тоже не растворяется в воде. Кислород (O 2) и азот (N 2) плохо растворяются в воде. Это малорастворимые в воде вещества. Некоторые химические вещества хорошо растворяются в воде, например, сахар.
Упражнение 5. Ответьте на вопросы к тексту упражнения 4. Свои ответы запишите в тетради.
1. Какие вещества не растворяются в воде?
2. Какие вещества хорошо растворяются в воде?
3. Какие вы знаете малорастворимые в воде вещества?
Упражнение 6. Закончите предложения.
1. Химические вещества растворяются или … .
2. Некоторые химические вещества хорошо … .
3. Глюкоза и сахароза … .
4. Кислород и азот плохо … .
5. Сера и йод … .
Упражнение 7. Напишите предложения. Слова из скобок используйте в нужной форме.
1. Соль растворяется в (обычная вода).
2. Некоторые жиры растворяются в (бензин).
3. Серебро растворяется в (азотная кислота).
4. Многие металлы растворяются в (серная кислота – H 2 SO 4).
5. Стекло не растворяется даже в (соляная кислота – HCl).
6. Кислород и азот плохо растворяются в (вода).
7. Йод хорошо растворяется в (спирт или бензол).
Упражнение 8. Прослушайте текст. Прочитайте его вслух.
Все вещества имеют физические свойства. Физические свойства – это цвет, вкус и запах. Например, сахар имеет белый цвет и сладкий вкус. Хлор (Cl 2) имеет жёлто-зелёный цвет и резкий неприятный запах. Сера (S) имеет жёлтый цвет, а бром (Br 2) – тёмно-красный. Графит (C) имеет тёмно-серый цвет, а медь (Cu) – светло-розовый. Соль NaCl имеет белый цвет и солёный вкус. Некоторые соли имеют горький вкус. Бром имеет резкий запах.
Упражнение 9. Ответьте на вопросы к тексту упражнения 8. Ответы запишите в тетради.
1. Какие физические свойства вы знаете?
2. Какие физические свойства имеет сахар?
3. Какие физические свойства имеет хлор?
4. Какой цвет имеют графит, сера, бром и медь?
5. Какие физические свойства имеет хлорид натрия (NaCl)?
6. Какой вкус имеют некоторые соли?
7. Какой запах имеет бром?
Упражнение 10. Составьте предложения по образцу.
Образец: Азот – вкус. Азот не имеет вкуса. У азота нет вкуса. Азот – это вещество без вкуса.
1. Хлорид натрия – запах. – …
2. Мел – вкус и запах. – …
3. Спирт – цвет. – …
4. Вода – вкус, цвет и запах. – …
5. Сахар – запах. – …
6. Графит – вкус и запах. – … .
Упражнение 11. Скажите, что вещества обладают теми же свойствами, что и вода.
Образец: Вода – это сложное вещество, этиловый спирт тоже сложное вещество.
1. Вода – это жидкость, азотная кислота тоже …
2. Вода – это прозрачное вещество, серная кислота тоже …
3. Вода не имеет цвета, алмаз тоже …
4. Вода не имеет запаха, кислород тоже … .
Упражнение 12. Скажите, что вода обладает иными качествами, чем этиловый спирт.
1. Этиловый спирт – это лёгкая жидкость, а вода …
2. Этиловый спирт имеет характерный запах, а вода …
3. Этиловый спирт обладает невысокой температурой кипения, а вода … .
Упражнение 13. Уточните следующие сообщения, используйте слова характерный, специфический, резкий, фиолетовый, красно-коричневый, бесцветный, высокий, жёлтый .
Образец: Бром – жидкость тёмного цвета. Бром – жидкость тёмно-красного цвета.
1. Этиловый спирт имеет запах. 2. Йод имеет запах. 3. Пары йода имеют окраску. 4. Раствор йода тёмного цвета. 5. Серная кислота – это жидкость. 6. Серная кислота имеет температуру кипения. 7. Сера имеет цвет.
Упражнение 14. Расскажите о физических свойствах веществ, используйте приведённые слова и словосочетания.
1. Фтор (F 2) – газ – светло-зелёный цвет – резкий запах – ядовитый.
2. Хлор (Cl 2) – газ – жёлто-зелёный цвет – резкий запах – ядовитый.
Ты долго принимаешь очень горячий душ, зеркало в ванной покрывается паром. Ты забываешь на окне кастрюлю с водой, а потом обнаруживаешь, что вода выкипела и кастрюля обгорела. Можно подумать, что вода любит превращаться то из газа в жидкость, то из жидкости в газ. Но когда это происходит?
В вентилируемом пространстве вода постепенно испаряется при любой температуре. Но кипит она только при определенных условиях. Температура кипения зависит от давления над жидкостью. При нормальном атмосферном давлении температура кипения составит 100 градусов. С высотой давление уменьшится так же, как и температура кипения. На вершине Монблана она составит 85 градусов, и там уже не приготовить вкусный чай! Но в скороварке, когда раздается свисток, температура воды уже составляет 130 градусов, а давление в 4 раза выше атмосферного. При такой температуре еда готовится скорее, а ароматы не улетучиваются вместе с парнем, поскольку клапан закрыт.
Изменение агрегатного состояния вещества при температурных изменениях.
Любая жидкость может перейти в газообразное состояние, если ее достаточно нагреть, а любой газ в жидкое, если его остудить. Поэтому бутан, который используют в газовых плитах и на даче, хранят в закрытых баллонах. Он жидкий и находится под давлением, как в скороварке. И на открытом воздухе при температуре чуть ниже 0 градусов метан кипит и очень быстро испаряется. Сжиженный метан хранят в гигантских резервуарах - танках. При обычном атмосферном давлении метан закипает при температуре 160 градусов ниже нуля. Чтобы газ не улетучился во время транспортировки, танки тщательно затрагивают как термосы.
Изменение агрегатных состояний вещества при изменении давления.
Между жидким и газообразным состоянием вещества существует зависимость от температуры и давления. Поскольку вещество в жидком состояние более насыщенное, чем в газообразном, можно подумать, что если увеличить давление, газ сразу превратится в жидкость. Но это не так. Впрочем, если ты станешь сжимать воздух велосипедным насосом, ты обнаружишь, что он нагревается. Он аккумулирует энергию, которую ты ему передаешь, давя на поршень. Газ путем сжатия можно превратить в жидкость лишь в том случае, если его одновременно охлаждать. Наоборот, жидкости, чтобы превратиться в газ, необходимо получить тепло. Вот почему испаряющийся спирт или эфир, отбирает тепло у нашего тела, создает ощущение холода на коже. Испарение морской воды под влиянием ветра охлаждает водную поверхность, а потоотделение остужает тело.
Я помню, как определение агрегатного состояния вещества нам объясняли еще в начальных классах. Учительница привела хороший пример про оловянного солдатика и тогда всем стало все понятно. Ниже я попробую освежить свои воспоминания.
Определить состояние вещества
Ну тут все просто: если вещество берется в руки, его можно пощупать и при нажатии на него оно сохраняет свои объем и форму - это твердое состояние. В жидком состоянии вещество не сохраняет форму, но сохраняет объем. Например, в стакане стоит вода, в данный момент она имеет форму стакана. А если ее перелить в чашку, то она примет форму чашки, но количество самой воды не изменится. Это означает, что вещество в жидком состоянии может менять форму, но не объем. В газообразном состоянии не сохраняется ни форма, ни объем вещества, а оно старается заполнить все доступное пространство.
А применительно к таблице, стоит упомянуть, что сахар и соль могут показаться жидкими веществами, но на самом деле они сыпучие вещества, весь их объем состоит из маленьких твердых кристаллов.
Состояния вещества: жидкое, твердое, газообразное
Все вещества на свете находятся в определенном состоянии: твердом, жидком или в виде газа. И любое же вещество может перейти из одного состояние в другое. Удивительно, но даже оловянный солдатик может быть жидким. Но для этого надо создать определенные условия, а именно - поместить его в сильно-сильно разогретое помещение, где олово расплавится и превратится в жидкий металл.
Но проще всего рассмотреть агрегатные состояния на примере воды.
- Если жидкую воду заморозить, то она превратиться в лед - это ее твердое состояние.
- Если жидкую воду сильно разогреть, то она начнет испаряться - это ее газообразное состояние.
- А если нагреть лед, то он начнет таять и опять превратится в воду - это называется жидким состоянием.
Особенно стоит выделить процесс конденсации: если сконцентрировать и охладить испаренную воду, то газообразное состояние перейдет в твердое - это называется конденсацией, и так образуется снег в атмосфере.
Смеси могут отличаться между собой не только по составу , но и по внешнему виду . В соответствии с тем, как выглядит данная смесь и какими свойствами она обладает, её можно отнести либо к однородным (гомогенным) , либо к неоднородным (гетерогенным) смесям.
Однородными (гомогенными) называют такие смеси, в которых даже при помощи микроскопа нельзя обнаружить частицы других веществ.
Состав и физические свойства во всех частях такой смеси одинаковы, поскольку между отдельными её составными частями отсутствуют поверхности раздела.
К однородным смесям относятся:
- смеси газов;
- растворы;
- сплавы.
Смеси газов
В качестве примера такой однородной смеси можно назвать воздух .
В состав чистого воздуха входят различные газообразные вещества :
- азот (его объёмная доля в чистом воздухе составляет \(78\) %);
- кислород (\(21\) %);
- благородные газы - аргон и другие (\(0,96\) %);
- углекислый газ (\(0,04\) %).
Газообразной смесью являются природный газ и попутный нефтяной газ . Основными составными частями этих смесей являются газообразные углеводороды : метан, этан, пропан и бутан.
Также газообразной смесью является такой возобновляемый ресурс, как биогаз , образующийся при переработке бактериями органических остатков на свалках, в ёмкостях очистных сооружений и в специальных установках. Главная составная часть биогаза - метан , который содержит примесь углекислого газа, сероводорода и целого ряда других газообразных веществ.
Cмеси газов: воздух и биогаз. Воздух можно продавать любознательным туристам, а биогаз, получаемый из зелёной массы в специальных ёмкостях - использовать в качестве топлива
Растворы
Обычно так называют жидкие смеси веществ, хотя этот термин в науке имеет более широкое значение: раствором принято называть любую (в том числе газообразную и твёрдую) однородную смесь веществ. Итак, о жидких растворах.
Важным раствором, встречающимся в природе, является нефть . Жидкие продукты, получаемые при её переработке: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, смазочные масла - также представляют собой смесь различных углеводородов .
Обрати внимание!
Чтобы приготовить раствор, нужно газообразное, жидкое или твёрдое вещество смешать с растворителем (водой, спиртом, ацетоном и др.).
Например, нашатырный спирт получают, растворяя вводе газ аммиак. В свою очередь, для приготовления тинктуры йода кристаллическиййод растворяют в этиловом спирте(этаноле).
Жидкие однородные смеси (растворы): нефть и нашатырный спирт
Сплав (твёрдый раствор) может быть получен на основе любого металла , и в его состав может входить множество различных веществ.
Самыми важными в настоящее время являются сплавы железа - чугуны и стали.
Чугунами называют сплавы железа, содержащие более \(2\) % углерода, а сталями - сплавы железа, содержание углерода в которых меньше.
То, что обычно называют «железом», на самом деле является сталью с низким содержанием углерода. Кроме углерода в состав сплавов железа могут входить кремний, фосфор, сера .