Gāze: definīcija, īpašības, veidi un piemēri
Gāze — definīcija, molekulu īpašības, veidi (mono-, elementāras, saliktas), ilustrējoši piemēri un praktiskā nozīme ikdienā; skaidri un saprotami.
Gāze ir viens no četriem visbiežāk sastopamajiem vielas stāvokļiem. Gāzē molekulas brīvi pārvietojas, tās parasti neatrodas ciešā sakārtotībā un savstarpēji mijiedarbojas tikai īslaicīgi. Tas atšķir gāzi no šķidruma, kur molekulas ir tuvāk un mijiedarbojas pastāvīgāk, un no cietās vielas, kur daudzas saites notur atomus vai molekulas stingrāk kopā.
Kas veido gāzes
Tīrā gāzē katra molekula var būt veidota no viena vai vairākiem atoma tipiem. Gāzes var būt monoatomāras (molekula sastāv no viena atoma), diatomāras vai daudzatomāras — molekulas, kurās ir vairāki atomu sadalījumi. Tās var būt arī savienojumi, kur molekulas veidotas no dažādu veidu atomiem saistīti kopā. Piemēri:
- Monoatomāra gāze: neons.
- Elementāra (diatomāra) gāze: ūdeņradis, kur molekulas var būt vienkāršas vai molekulāri savienotas formās.
- Salikta gāze (savienojums): oglekļa dioksīds (CO2).
Gāzu maisījumi
Gāzu maisījums ir jebkura iepriekšminētā veida maisījums. Tipisks piemērs ir gaiss, kas sastāv galvenokārt no 78% slāpekļa, apmēram 20% skābekļa un nelieliem daudzumiem argona un oglekļa dioksīda, kā arī citiem trace elementiem un piesārņotājiem.
Fizikālās īpašības
- Blīvums: gāzēm parasti ir daudz mazāks blīvums nekā šķidrumiem vai cietvielām; blīvums mainās atkarībā no temperatūras un spiediena.
- Spiedījamība: gāzes ir viegli saspiežamas — samazinot tilpumu pie nemainīgas temperatūras, palielinās spiediens.
- Izplešanās: gāzes pieņem trauka formu un pilnīgi piepilda to tilpumu.
- Difūzija: gāzu molekulas ātri maisās, tādēļ gāzes ātri izplūst un sajaucas ar citām gāzēm.
- Temperatūras un spiediena ietekme: gāzu uzvedību bieži apraksta, izmantojot ideālās gāzes likumu PV = nRT; reālas gāzes var atšķirties no ideālas uzvedības pie augsta spiediena vai ļoti zemām temperatūrām.
Ideālā un reālā gāze
Ideālās gāzes modelī pieņem, ka molekulas nav apjomīgas un to mijiedarbība ir neievērojama, kas ļauj lietot vienkāršo likumu PV = nRT (kur P — spiediens, V — tilpums, n — vielas daudzums, R — gāzu konstante, T — temperatūra). Reālām gāzēm šie pieņēmumi var nepiemērot pie augsta spiediena vai zemas temperatūras; tad jālieto precizētie vienādojumi, piemēram, van der Waals vienādojums, un jāņem vērā kondensācija (lietošana vai šķidruma veidošanās) un kritiskais punkts.
Lietojumi
- Enerģija un apkure: dabasgāze un citi kurināmie.
- Rūpniecība: izejmateriāls ķīmiskajai ražošanai, metālapstrādei (piem., lāpstiņas, metināšana), aukstumaģenti.
- Mediķi: skābeklis elpošanai, slāpekli izmanto kā kriogēnu, dažas gāzes — anestēzijai vai diagnostikai.
- Pārtikas nozare: ogļskābā gāze dzērienos, iepakojumā aizsarggaisa maisījumi.
- Laboratorijas: reaģenti, analyses metodes (piem., gāzu hromatogrāfija).
- Enerģijas avots: Dabasgāze ir dabisks metāna un citu gāzu maisījums, ko plaši izmanto enerģijas ražošanā un siltuma nodrošināšanā.
Bīstamība un vēsturisks konteksts
Gāzes var būt bīstamas dažādos veidos:
- Indīgums: noteiktas vielas — indīgās gāzes — bojā veselību vai izraisa nāvi pat mazos koncentrācijas līmeņos. Tās tika lietotas kā ķīmiskie ieroči Pirmajā pasaules karā, taču vēlāk plašs starptautisks aizliegums ierobežoja šo praksi.
- Udzēlīgums/uzliesmojamība: daudzas gāzes (piem., ūdeņradis, metāns) ir viegli uzliesmojošas un var izraisīt eksplozijas, ja sakrājas gāzes un radusies aizdedzes avots.
- Asfiksija: bezkrāsainas, neindīgas gāzes (piem., slāpeklis, argons) var izspiest skābekli un izraisīt nosmakšanu slēgtos telpu apstākļos.
- Vide: noteiktas gāzes (piem., oglekļa dioksīds, metāns) ir būtiskas siltumnīcefekta gāzes un veicina klimata pārmaiņas.
Drošība, detektēšana un uzglabāšana
- Detektēšana: gāzu atklāšanai izmanto ķīmiskos un elektriskos sensorus (CO detektori, skābekļa monitori, eksplozivitātes sensori), kā arī gāzu hromatogrāfiju un spektrālos paņēmienus analītikā.
- Uzglabāšana: kompresētas gāzes tiek turētas tērauda vai alumīnija cilindros ar atbilstošām drošības vārstiem; šķidras gāzes — kriogēniskos tvertnēs. Jāievēro marķējums, drošības datu lapas un atbilstoša ventilācija.
- Riska samazināšana: pareiza ventilācija, sprieguma ierobežojumi, liesmu slāpēšanas pasākumi, apmācīts personāls un individuālie aizsardzības līdzekļi (respiratori, acu aizsargi).
Mērīšana un vienības
Gāzu koncentrāciju mēra dažādās vienībās: daļas uz miljonu (ppm), procentos tilpuma daļās, molu koncentrācijā (mol/L) un parciālā spiediena mērvienībās. Maisījumu uzvedību apraksta arī ar Daltona likumu (kopējais spiediens ir parciālo spiedienu summa).
Nozīme un kopsavilkums
Gāzes ir fundamentāls un daudzveidīgs vielu stāvoklis ar plašu pielietojumu spektru — no dabas procesiem un klimata līdz rūpniecībai, medicīnai un mājsaimniecībai. Lai droši un efektīvi izmantotu gāzes, nepieciešama izpratne par to fizikālajām īpašībām, potenciālajiem riskiem un atbilstošu drošības pasākumu ievērošana.
Ilustrācija nejaušai gāzes molekulu kustībai bez savstarpējas piesaistes.
Fizikālās īpašības
Visas gāzes var plūst tāpat kā šķidrumi. Tas nozīmē, ka molekulas pārvietojas neatkarīgi viena no otras. Lielākā daļa gāzu ir bezkrāsainas, piemēram, ūdeņradis. Gāzes daļiņas izkliedējas jeb difūzijas veidā, lai aizpildītu visu telpu jebkurā traukā, piemēram, pudelē vai telpā. Salīdzinot ar šķidrumiem un cietvielām, gāzēm ir ļoti zems blīvums un viskozitāte. Lielāko daļu gāzu mēs nevaram tieši redzēt, jo tās nav krāsainas. Tomēr ir iespējams izmērīt to blīvumu, tilpumu, temperatūru un spiedienu.
Spiediens
Spiediens ir mērvienība, ar kādu spēku kāds objekts iedarbojas uz citu objektu. Gāzes gadījumā parasti tā ir gāze, kas spiež uz objekta trauku, vai, ja gāze ir smaga, kaut kas gāzes iekšpusē. Spiedienu mēra paskālos. Pateicoties Ņūtona trešajam likumam, gāzes spiedienu var mainīt, pieliekot spēku objektam, kas to satur. Piemēram, saspiežot pudeli ar gaisu tās iekšpusē, tiek radīts spiediens (palielināts spiediens) uz tajā esošo gaisu.
Runājot par gāzi, spiediens bieži tiek saistīts ar tvertni. Ja mazā traukā ir daudz gāzes, spiediens ir ļoti augsts. Mazam gāzes daudzumam lielā traukā būtu zems spiediens. Ja gāzes ir daudz, tā pati var radīt spiedienu. Gāzes svars rada spiedienu uz visu, kas atrodas zem tās, tostarp citu gāzi. Uz planētas to sauc par atmosfēras spiedienu.
Temperatūra
Gāzes temperatūra norāda, cik karsta vai auksta tā ir. Fizikā to parasti mēra kelvīnos, lai gan citur vairāk izmanto Celsija grādus. Gāzē molekulu vidējais ātrums (cik ātri tās pārvietojas) ir saistīts ar temperatūru. Jo ātrāk pārvietojas gāzes molekulas, jo vairāk tās saduras jeb ietriecas viena otrā. Šajās sadursmēs izdalās enerģija, kas gāzē izpaužas kā siltums. Un otrādi, ja temperatūra gāzes apkārtnē kļūst augstāka, tad gāzes daļiņas pārvērš siltumenerģiju kinētiskajā enerģijā, padarot to kustību ātrāku un padarot gāzi karstāku.
Valsts izmaiņas
Gāze var mainīties divos dažādos stāvokļos. Ja temperatūra ir pietiekami zema, gāze var kondensēties un pārvērsties šķidrumā. Dažreiz, ja temperatūra ir pietiekami zema, gāze var pāriet nogulsnēšanās procesā, kad tā pārvēršas par cietu vielu. Parasti gāzei vispirms jākondensējas līdz šķidrumam un tad jāsasalst, lai kļūtu par cietu vielu, bet, ja temperatūra ir ļoti zema, tā var izlaist šķidruma fāzi un uzreiz kļūt par cietu vielu. Šāda iemesla dēļ ziemā uz zemes veidojas sals. Ūdens tvaiki (gāze) nonāk ļoti aukstā gaisā un nogulsnēšanās rezultātā uzreiz pārvēršas ledū.
Saistītās lapas
- Ideālā gāze
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir gāze?
A: Gāze ir viens no četriem vielas stāvokļiem, kurā molekulas brīvi pārvietojas un nav savienotas viena ar otru.
J: Ar ko gāzes molekulas atšķiras no šķidruma molekulām?
A: Gāzē molekulas nav savienotas viena ar otru, bet šķidrumā molekulas ir brīvi savienotas vai pieskaras viena otrai.
J: Ar ko molekulas gāzē atšķiras no molekulām cietā vielā?
A: Gāzē molekulārās saites ir vājas, bet cietā vielā molekulārās saites ir stipras, un tās notur molekulas kopā vienā formā.
J: Vai gāzei ir tikai viens tilpums kā šķidrai vai cietai vielai?
Atbilde: Nē, atšķirībā no šķidruma vai cietas vielas gāze var paplašināties, līdz tā piepilda jebkuru trauku, kurā tā atrodas.
Kādi ir dažādi gāzes molekulu veidi?
A: Ir tīras gāzes ar atsevišķiem atomiem, elementāras gāzes, kurās ir vairāk nekā viens kopā saistīts viens atoms, un saliktas gāzes, kurās kopā ir vairāku veidu atomi.
J: Vai vari nosaukt monoatomu gāzes piemēru?
A: Jā, monoatomāras gāzes piemērs ir neons.
J: Kas ir gāzu maisījums?
A: Gāzu maisījumā ir jebkuras iepriekš minētās gāzes, piemēram, gaiss, kurā ir 87 % slāpekļa, 0,2 % skābekļa, 13,7 % argona un neliels daudzums oglekļa dioksīda.
Meklēt