De lucht die we dagelijks inademen en waar we doorheen bewegen, het helium in onze verjaardagsballonnen en het methaan dat wordt gebruikt voor de verwarming van woningen zijn allemaal veelvoorkomende voorbeelden van gassen. Gas is een van de drie belangrijkste toestanden van materie, samen met vaste stoffen en vloeistoffen.
Staten van materie
De toestanden van materie verschillen afhankelijk van hoe dicht de deeltjes zijn gepakt - een gevolg van hoeveel kinetische energie ze hebben - wat resulteert in verschillende kenmerken.
In vaste toestand is materie het dichtst gepakt. De moleculen in een vaste stof worden bij elkaar gehouden door atomaire bindingen en attracties. Als gevolg hiervan trillen ze op hun plaats in plaats van vrij rond te stromen. Vaste stoffen hebben duidelijke vormen en volumes, en ze zijn niet gemakkelijk te comprimeren; dat wil zeggen, ze behouden hun vorm redelijk goed.
In vloeibare toestand is materie minder dicht opeengepakt dan in een vaste stof, dankzij zwakkere intermoleculaire bindingen. In aanwezigheid van een zwaartekrachtveld zal een vloeistof de vorm aannemen van zijn houder; bij afwezigheid van zwaartekracht vormt het bolvormige vormen.
In zijn gasvormige toestand ervaart materie zwakke interacties met zichzelf. Deeltjes kunnen vrij vrij bewegen. Als gevolg hiervan nemen gassen de vorm en het volume aan van de container waarin ze zich bevinden. Open de oven na het bakken van een cake, en het gas dat erin zat zal zich door het hele huis verspreiden zodat de cake vanuit elke kamer te ruiken is.
De nieuwste staat van materie die natuurkundigen kennen, is plasma, een toestand waarin de atomen waaruit materie bestaat zelf afbreken. Plasma komt alleen voor bij extreme temperaturen en drukken, zoals die in het centrum van de zon. Omdat onder deze omstandigheden elektronen van atomen worden ontdaan, wordt een plasma uiteindelijk een mengsel van vrije elektronen, de overgebleven positief geladen ionen en neutrale atomen. Qua gedrag gedraagt een plasma zich als een gas, maar vanwege de ladingen heeft het ook elektromagnetische eigenschappen.
Faseveranderingen
Materie kan van de ene toestand naar de andere veranderen, afhankelijk van de omstandigheden van druk en temperatuur. Een dergelijke transformatie staat bekend als a faseverandering. Zo zal vast water in de vorm van ijs bij verhitting tot het kookpunt smelten in vloeibaar water, dat op zijn beurt zal verdampen in waterdamp met nog meer toegevoegde warmte.
Het tegenovergestelde van verdamping is condensatie. Wanneer een gas condenseert, wordt het een vloeistof.
Een vaste stof kan direct overgaan in een gasvormige toestand van materie door te ondergaan sublimatie. Sublimatie vindt plaats wanneer een vaste stof een bepaalde druk onder zijn tripelpunt in een fasediagram heeft. Droogijs (vast koolstofdioxide) sublimeert bijvoorbeeld bij verhitting op één atmosfeer, in tegenstelling tot "gewoon" ijs (water) dat eenvoudig in vloeistof smelt wanneer het bij één atmosfeer wordt verwarmd.
Definitie van een gas
De formele natuurkundige beschrijving van een gas is een stof die geen bepaald volume (ook wel een vast volume genoemd) of een bepaalde vorm heeft. In plaats daarvan zal een gas de vorm aannemen van zijn container omdat gasmoleculen vrij langs elkaar kunnen bewegen.
Een beroemd hypothetisch probleem van de vooraanstaande deeltjesfysicus Enrico Fermi illustreert dit. Fermi vroeg zijn studenten om te schatten hoeveel moleculen van Caesars laatste adem een mens tegenwoordig kan verwachten te ontmoeten met elk van zijn eigen inhalaties. Ervan uitgaande dat de laatste ademtocht van de Romeinse keizer inmiddels gelijkmatig over de wereld is verdeeld (en niet is geabsorbeerd door de oceaan of planten), laten berekeningen zien dat de huidige levende wezens ongeveer één molecuul van zijn laatste adem inademen met elk van van hen.
Hoewel een vloeistof ook de vorm van zijn houder kan aannemen, verandert een vloeistof zijn volume niet zonder hulp. Maar een gas zal zich altijd verspreiden om zijn container te vullen en, omgekeerd, kan het worden samengeperst tot een kleinere container.
Fysische eigenschappen van gassen
Een belangrijke meting om een gas te beschrijven is: druk. De druk van een gas is de kracht per oppervlakte-eenheid die het gas uitoefent op zijn houder. Meer druk leidt tot meer kracht en vice versa.
Een fietsband die op een hoge druk is opgepompt, voelt bijvoorbeeld geleerd en hard van buitenaf. Een lagedrukband daarentegen oefent minder uitwaartse kracht uit en voelt daardoor slapper en zachter aan.
Een ander belangrijk kenmerk van een gas is zijn temperatuur-. De temperatuur van een gas wordt gedefinieerd als een maat voor de gemiddelde kinetische energie per molecuul in het gas. Omdat alle moleculen trillen, hebben ze allemaal een bepaalde hoeveelheid kinetische energie.
Zowel druk als temperatuur zijn nodig om te bepalen of de toestand van materie gasvormig is. Sommige materialen zijn alleen gassen bij hoge temperaturen, terwijl andere gassen zijn bij lage temperaturen of kamertemperatuur. Ondertussen zijn sommige materialen alleen gassen bij hoge temperaturen en lage drukken. Een fasediagram toont de toestand van de materie voor een bepaalde stof bij verschillende combinaties van temperatuur en druk.
Voorbeelden van gassen
Gassen in overvloed in de wereld om ons heen. Kooldioxide, een veelvoorkomend broeikasgas, komt vrij bij het verbranden van brandstof om veel van de huidige activiteiten van de mensheid aan te drijven. Wanneer vloeibaar water verdampt, wordt het stoom of waterdamp - een proces dat plaatsvindt op kookplaten en in plassen buiten onder de zon.
Het mengsel van gassen dat bekend staat als lucht - meestal 78 procent stikstof, 21 procent zuurstof en 1 procent andere gassen - omringt alle aardse wezens en wisselt met hun lichaam uit via de luchtwegen systeem. Bij het ademen halen veel dieren zuurstof uit de lucht en verwijderen ze koolstofdioxide uit hun lichaam, terwijl veel planten het tegenovergestelde doen: ze nemen koolstofdioxide op en geven zuurstof af.
Ideaal gas
Om het gedrag van gassen beter te kunnen verklaren, willen natuurkundigen graag inschatten hoe de gassen zich zouden gedragen als ze uit vele zouden bestaan puntdeeltjes die in rechte lijnen bewegen en geen intermoleculaire krachten ervaren - met andere woorden, zonder interactie met één een ander.
Natuurlijk is geen gas eigenlijk ideaal, maar door te bedenken hoe een gas zou handelen onder een dergelijke beschrijving, zijn natuurkundigen in staat om meerdere eenvoudige wetten over gasvormige eigenschappen te combineren tot één: de ideale gaswet.
Tips
De ideale gaswet is: PV = nRT, waar P is druk, V is volume, nee is het aantal mol van het gas, R is de gasconstante en T is temperatuur.
In het bijzonder is de ideale gaswet afgeleid van vier eenvoudigere gaswetten die delen van de relaties in de gecombineerde gaswet laten zien. Zij zijn:
- Wet van Boyle: De druk van een gas is omgekeerd evenredig met het volume bij een constante temperatuur en hoeveelheid gas.
- Wet van Charles: Het volume en de temperatuur van een gas zijn evenredig wanneer de druk constant wordt gehouden.
- Wet van Avogadro: Het volume van een gas is evenredig met de hoeveelheid gas wanneer druk en temperatuur constant zijn.
- Wet van Amonton: De druk en temperatuur van een gas zijn evenredig zolang de hoeveelheid en het volume van het gas constant worden gehouden.
