GAZ: PROPRIÉTÉS, COMPORTEMENT, FORME, EXEMPLES - CHIMIE - 2024

Les gaz sont toutes ces substances ou composés dont les états d'agrégation sont faibles et dispersés, tout en étant fortement dépendants des conditions de température et de pression qui les régissent. Ils sont peut-être la deuxième forme de matière la plus abondante dans tout l'Univers après le plasma.

Sur Terre, les gaz constituent les couches de l'atmosphère, de l'exosphère à la troposphère et à l'air que nous respirons. Bien qu'un gaz soit invisible lorsqu'il est diffusé à travers de grands espaces, comme le ciel, il est détecté par le mouvement des nuages, les tours des pales d'un moulin, ou par les vapeurs exhalées de nos bouches dans les climats froids.

Les gaz peuvent être observés dans les cheminées industrielles ou domestiques, ainsi que dans les tours de fumée émanant des volcans. Source: Pxhere.

De même, en ce qui concerne les aspects environnementaux négatifs, on l'observe dans la fumée noire des tuyaux d'échappement des véhicules, dans les colonnes de fumée des tours situées dans les usines, ou dans la fumée soulevée lorsqu'une forêt brûle.

Vous êtes également confronté à des phénomènes gazeux lorsque vous voyez des vapeurs qui sortent des égouts, dans les traînées de marais et de cimetières, dans le bouillonnement à l'intérieur des aquariums, dans les ballons d'hélium qui se libèrent dans le ciel, dans le l'oxygène libéré par les plantes du fait de leur photosynthèse, voire des éructations et des flatulences.

Partout où des gaz sont observés, il y a eu une réaction chimique, à moins qu'ils ne soient fixés ou assimilés directement à partir de l'air, principale source de gaz (superficiellement) sur la planète. À mesure que les températures augmentent, toutes les substances (éléments chimiques) se transforment en gaz, y compris des métaux tels que le fer, l'or et l'argent.

Quelle que soit la nature chimique des gaz, ils partagent tous en commun la grande distance qui sépare leurs particules (atomes, molécules, ions, etc.), qui se déplacent de manière chaotique et arbitraire dans un volume ou un espace donné.

Propriétés des gaz

Différences entre les molécules solides, liquides et gazeuses

Physique

Les propriétés physiques des gaz varient en fonction de la substance ou du composé impliqué. Les gaz sont généralement associés à de mauvaises odeurs ou à la putréfaction, soit en raison de leur teneur en soufre, soit en raison de la présence d'amines volatiles. De même, ils sont visualisés avec des colorations verdâtres, brunes ou jaunâtres, qui intimident et donnent un mauvais présage.

Cependant, la plupart des gaz, ou du moins les plus abondants, sont en réalité incolores et inodores. Bien qu'ils soient insaisissables, ils peuvent être ressentis sur la peau et résister au mouvement, créant même des couches visqueuses sur les corps qui les traversent (comme c'est le cas avec les avions).

Tous les gaz peuvent subir des changements de pression ou de température qui finissent par les transformer en leurs liquides respectifs; c'est-à-dire qu'ils subissent une condensation (s'ils sont refroidis) ou une liquéfaction (s'ils sont «pressés»).

Condensation; de l'état gazeux à l'état liquide

D'un autre côté, les gaz sont capables de se dissoudre dans les liquides et certains solides poreux (comme le charbon actif). Les bulles sont le résultat d'accumulations de gaz qui ne se sont pas encore dissous dans le milieu et s'échappent à la surface du liquide.

Conductivité électrique et thermique

Dans des conditions normales (sans ionisation de leurs particules), les gaz sont de mauvais conducteurs de chaleur et d'électricité. Cependant, lorsqu'ils sont soumis à de nombreux électrons, ils laissent passer le courant, comme on le voit dans la foudre pendant les orages.

Par contre, à basse pression et soumis à un champ électrique, certains gaz, notamment les nobles ou parfaits, s'allument et leurs lumières sont utilisées pour la conception de publicités et affiches de nuit (néons), ainsi que dans les célèbres lampes à décharge électrique dans les lanternes de rue.

En ce qui concerne la conductivité thermique, de nombreux gaz se comportent comme des isolants thermiques, de sorte que leur incorporation dans le remplissage de fibres, de tissus ou de panneaux de verre permet d'éviter que la chaleur ne les traverse et maintient la température constante.

Cependant, il existe des gaz qui sont de bons conducteurs de chaleur et peuvent provoquer des brûlures pires que celles causées par des liquides ou des solides; par exemple, comme cela se produit avec la vapeur chaude des cupcakes (ou empanadas) cuits au four, ou avec les jets de vapeur qui s'échappent des chaudières.

Réactivité

En général, les réactions impliquant des gaz, ou là où elles se produisent, sont classées comme dangereuses et encombrantes.

Leur réactivité dépend, là encore, de leur nature chimique; Cependant, lors de l'expansion et du déplacement avec une grande facilité, une plus grande prudence et un plus grand contrôle doivent être exercés car ils peuvent déclencher des augmentations drastiques de pression qui mettent la structure du réacteur en danger; Cela ne veut pas dire à quel point ces gaz sont inflammables ou ininflammables.

Comportement des gaz

Macroscopiquement, on peut se faire une idée du comportement des gaz en observant comment la fumée, les sonneries ou les «langues» littéraires des cigarettes évoluent dans l'air. De même, lorsqu'une grenade fumigène explose, il est intéressant de détailler le mouvement de ces différents nuages ​​colorés.

Cependant, de telles observations sont soumises à l'action de l'air, mais aussi au fait qu'il y a de très fines particules solides en suspension dans la fumée. Par conséquent, ces exemples ne sont pas suffisants pour parvenir à une conclusion sur le comportement réel d'un gaz. Au lieu de cela, des expériences ont été menées et la théorie cinétique des gaz développée.

Moléculairement et idéalement, les particules gazeuses se heurtent élastiquement les unes aux autres, ayant des déplacements linéaires, rotationnels et vibrationnels. Ils ont une énergie moyenne associée, qui leur permet de voyager librement dans n'importe quel espace sans presque interagir ou entrer en collision avec une autre particule lorsque le volume autour d'eux augmente.

Son comportement en viendrait à être un mélange du mouvement brownien erratique, et celui de quelques collisions de quelques boules de billard qui rebondissent sans cesse entre elles et les parois de la table; s'il n'y a pas de murs, ils se diffuseront à l'infini, à moins qu'ils ne soient retenus par une force: la gravité.

Forme de gaz

Les gaz, contrairement aux liquides et aux solides, ne sont pas du type condensé; c'est-à-dire que l'agrégation ou la cohésion de ses particules ne parvient jamais à définir une forme. Ils partagent avec les liquides le fait qu'ils occupent complètement le volume du récipient qui les contient; cependant, ils manquent de tension superficielle et superficielle.

Si la concentration de gaz est élevée, ses "langues" ou les formes macroscopiques déjà décrites peuvent être vues à l'oeil nu. Ceux-ci, tôt ou tard, finiront par disparaître sous l'action du vent ou la simple expansion du gaz. Les gaz couvrent donc tous les coins de l'espace limité à l'origine de systèmes très homogènes.

Maintenant, la théorie considère convenablement les gaz comme des sphères qui n'entrent pratiquement pas en collision avec elles-mêmes; mais quand ils le font, ils rebondissent élastiquement.

Ces sphères sont largement séparées les unes des autres, de sorte que les gaz sont pratiquement "pleins" de vide; d'où sa polyvalence pour traverser la moindre fente ou fissure, et la facilité de pouvoir les comprimer de manière significative.

C'est pourquoi, quelle que soit la fermeture d'une installation de boulangerie, si vous passez à côté, vous apprécierez certainement l'arôme du pain fraîchement sorti du four.

Pression d'un gaz

On pourrait croire que du fait que les sphères ou particules du gaz sont si dispersées et séparées, elles sont incapables de générer une pression sur les corps ou les objets. Cependant, l'atmosphère prouve qu'une telle croyance est fausse: elle a une masse, un poids et empêche les liquides de s'évaporer ou de bouillir de nulle part. Les points d'ébullition sont mesurés à la pression atmosphérique.

Les pressions de gaz deviennent plus quantifiables si des manomètres sont disponibles ou s'ils sont enfermés dans des conteneurs avec des parois indéformables. Ainsi, plus il y a de particules de gaz à l'intérieur du conteneur, plus le nombre de collisions entre celles-ci et ses parois est important.

Ces particules, lorsqu'elles entrent en collision avec les parois, les pressent, puisqu'elles exercent une force proportionnelle à leur énergie cinétique sur leur surface. C'est comme si les boules de billard idéales étaient lancées contre un mur; s'il y en a beaucoup qui les frappent à grande vitesse, cela pourrait même casser.

Unités

Il existe de nombreuses unités qui accompagnent les mesures de la pression d'un gaz. Certains des plus connus sont des millimètres de mercure (mmHg), comme le torr. Il y a ceux du système international d'unités (SI) qui définissent le pascal (Pa) en termes de N / m ²; et de lui, le kilo (kPa), le méga (MPa) et le giga (GPa) pascal.

Volume d'un gaz

Un gaz occupe et se dilate dans tout le volume du conteneur. Plus le conteneur est grand, plus le volume de gaz le sera également; mais sa pression et sa densité diminueront pour la même quantité de particules.

Le gaz lui-même, en revanche, a un volume associé qui ne dépend pas tant de sa nature ou de sa structure moléculaire (idéalement), mais des conditions de pression et de température qui le régissent; c'est son volume molaire.

En réalité, le volume molaire varie d'un gaz à l'autre, bien que les variations soient faibles s'il ne s'agit pas de molécules grosses et hétérogènes. Par exemple, le volume molaire d'ammoniac (NH ₃, 22,079 L / mol) à 0 ° C et 1 atm, diffère de celui de l'hélium (He, 22,435 L / mol).

Tous les gaz ont un volume molaire qui change en fonction de P et T, et quelle que soit la taille de leurs particules, leur nombre est toujours le même. D'où en fait il est dérivé par ce que l'on connaît du nombre d'Avogadro (N _A).

Principales lois du gaz

Le comportement des gaz a été étudié pendant des siècles à travers des expériences, des observations approfondies et l'interprétation des résultats.

De telles expériences ont permis d'établir une série de lois qui, réunies dans une même équation (celle des gaz parfaits), aident à prédire les réponses d'un gaz à différentes conditions de pression et de température. De cette manière, il existe une relation entre son volume, sa température et sa pression, ainsi que le nombre de ses moles dans un système donné.

Parmi ces lois figurent les quatre suivantes: Boyle, Charles, Gay-Lussac et Avogadro.

La loi de Boyle

Augmentation de la pression en réduisant le volume du récipient. Source: Gabriel Bolívar

La loi de Boyle stipule qu'à température constante, le volume d'un gaz parfait est inversement proportionnel à sa pression; c'est-à-dire que plus le récipient est grand, plus la pression que ses parois subiront avec la même quantité de gaz sera basse.

Charles Law

Lanternes chinoises ou ballons à souhait. Source: Pxhere.

La loi de Charles stipule qu'à pression constante, le volume d'un gaz parfait est directement proportionnel à sa température. Les ballons démontrent la loi de Charles, car s'ils sont chauffés, ils gonflent un peu plus, tandis que s'ils sont immergés dans l'azote liquide, ils se dégonflent car le volume de gaz à l'intérieur d'eux se contracte.

Loi Gay-Lussac

La loi de Gay-Lussac stipule qu'à volume constant, la pression d'un gaz parfait est directement proportionnelle à sa température. Dans un chaudron bien fermé, si un gaz est progressivement chauffé, à chaque fois la pression à l'intérieur de celui-ci sera plus grande, car les parois du chaudron ne se déforment ni ne se dilatent; c'est-à-dire que son volume ne change pas, il est constant.

Loi d'Avogadro

Enfin, la loi d'Avogadro stipule que le volume occupé par un gaz parfait est directement proportionnel au nombre de ses particules. Ainsi, si nous avons une mole de particules (6,02 · 10 ²³), alors nous aurons le volume molaire du gaz.

Types de gaz

Gaz combustibles

Ce sont ces gaz dont les composants fonctionnent comme des combustibles, car ils sont utilisés pour la production d'énergie thermique. Certains d'entre eux sont le gaz naturel, le gaz de pétrole liquéfié et l'hydrogène.

Gaz industriels

Ce sont ces gaz manufacturés, qui sont commercialisés auprès du public pour différentes utilisations et applications, telles que la santé, l'alimentation, la protection de l'environnement, la métallurgie, l'industrie chimique, les secteurs de la sécurité, entre autres. Certains de ces gaz sont l'oxygène, l'azote, l'hélium, le chlore, l'hydrogène, le monoxyde de carbone, le propane, le méthane, l'oxyde nitreux, entre autres.

Des gaz inertes

Ce sont ces gaz qui, dans des conditions de température et de pression spécifiques, ne génèrent aucune réaction chimique ou très basse. Ce sont le néon, l'argon, l'hélium, le krypton et le xénon. Ils sont utilisés dans des processus chimiques dans lesquels des éléments non réactifs sont nécessaires.

Exemples d'éléments et composés gazeux

Quels sont les éléments gazeux du tableau périodique dans les conditions terrestres?

Nous avons d'abord l'hydrogène (H), qui forme des molécules H ₂. L'hélium (He), le gaz rare le plus léger, suit; puis l'azote (N), l'oxygène (O) et le fluor (F). Ces trois derniers forment également des molécules diatomiques: N ₂, O ₂ et F ₂.

Après le fluor vient le néon (Ne), le gaz rare qui suit l'hélium. Sous le fluor, nous avons du chlore (Cl), sous forme de molécules de Cl ₂.

Ensuite, nous avons le reste des gaz rares: l'argon (Ar), le krypton (Kr), le xénon (Xe), le radon (Rn) et l'oganeson (Og).

Par conséquent, il s'agit d'un total de douze éléments gazeux; onze si l'on exclut l'oganeson hautement radioactif et instable.

Composés gazeux

En plus des éléments gazeux, certains composés gazeux courants seront répertoriés:

-H ₂ S, sulfure d'hydrogène, responsable de l'odeur des œufs pourris

-NH ₃, l'ammoniaque, cet arôme piquant qui est perçu dans les savons usagés

-CO ₂, dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre

-NO ₂, dioxyde d'azote

-NO, monoxyde d'azote, un gaz que l'on croyait hautement toxique mais qui joue un rôle important dans le système circulatoire

-SO ₃, trioxyde de soufre

-C ₄ H ₁₀, butane

-HCl, chlorure d'hydrogène

-O ₃, ozone

-SF ₆, hexafluorure de soufre

Références

1. Whitten, Davis, Peck et Stanley. (2008). Chimie (8e éd.). Apprentissage CENGAGE.
2. Les propriétés des gaz. Récupéré de: chemed.chem.purdue.edu
3. Wikipédia. (2019). Gaz. Récupéré de: en.wikipedia.org
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (05 décembre 2018). Gaz - Propriétés générales des gaz. Récupéré de: thinkco.com
5. Montre de santé pour hommes de Harvard. (2019). L'état du gaz. Récupéré de: health.harvard.edu
6. Rédacteurs en électronique de refroidissement. (1er septembre 1998). La conductivité thermique des gaz. Récupéré de: electronics-cooling.com