Budowa cząsteczkowa i właściwości fizyczne gazów

R1VdddbaMhLPU

Zdjęcie przedstawia szklaną kolbkę wypełnioną fioletowym gazem. Kolba umieszczona jest na statywie, którego fragment widać na fotografii.

Budowa cząsteczkowa gazów

Cząsteczki w gazachgazgazach w porównaniu z cząsteczkami w cieczach i ciałach stałych oddziałują ze sobą niezwykle słabo, a ich ruch jest chaotyczny i odbywa się w całej dostępnej przestrzeni.

R1IU9rTDmVeu2

Aplet przedstawia ruch cząsteczek w gazach. Na aplecie widnieje kwadrat, w którym znajduje się kilkanaście niebieskich kółek symbolizujących cząsteczki bądź atomy. Poruszają się one chaotycznie po całej powierzchni kwadratu zderzając się między sobą oraz uderzając w krawędzie kwadratu.

Aplet przedstawia ruch cząsteczek w gazach. Na aplecie widnieje kwadrat, w którym znajduje się kilkanaście niebieskich kółek symbolizujących cząsteczki bądź atomy. Poruszają się one chaotycznie po całej powierzchni kwadratu zderzając się między sobą oraz uderzając w krawędzie kwadratu.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/b/P16ufBaC2

Podczas ruchu cząsteczki gazu zderzają się ze sobą oraz uderzają w ścianki zbiornika. Uderzając, wywierają nacisk na ścianki naczynia (podobnie jak rzucona piłka uderzająca o ścianę). Nacisk ten oznacza, że pojawia się pewna średnia siła (średnia, ponieważ cząstki nie uderzają o ścianki jednocześnie, ponadto każda z cząsteczek ma różną prędkość). Stosunek wartości tej siły (oznaczanej literą F) do pola powierzchni ścianek (oznaczonej S) nazywamy ciśnieniem gazu pciśnienie $\left(\mathrm{p}\right)$ciśnieniem gazu p w zbiorniku.

Z poprzednich lekcji już wiesz, że prędkości cząsteczek gazu rosną wraz ze wzrostem temperatury. Dlatego im wyższa jest temperatura, tym ciśnienie gazu będzie większe.

Gdyby, bez zmieniania temperatury zbiornika z gazem, zmniejszyć jego objętość, to – łatwo można to sobie wyobrazić – cząsteczki częściej uderzałyby w ścianki (przebywałyby krótsza drogę od ścianki do ścianki). Wtedy średnia siła działającej na ścianki wzrasta, a zatem wzrasta też ciśnienie.

Z tego wynika, że im wyższa temperatura, tym wyższe ciśnienie gazu (zmniejszanie temperatury spowoduje spadek ciśnienia). Zmiany objętości wpływają zaś odwrotnie na ciśnienie: im większa objętość, tym niższe ciśnienie (zmniejszaniu się objętości gazu towarzyszy wzrost jego ciśnienia).

Prawa opisujące tzw. parametry stanu gazu, czyli objętość, ciśnienie i temperaturę, a także związki między nimi, poznasz w toku dalszej nauki.

Właściwości fizyczne gazów

Najbardziej rozpowszechnioną mieszaniną gazów w przyrodzie jest powietrze. W jego skład wchodzi głównie azot ($78\%$) i tlen ($21\%$). Pozostały $1\mathrm{\%}$ stanowią inne gazy, takie jak dwutlenek węgla, gazy szlachetne czy para wodna.

R24bOng5CnLmp

Ilustracja przedstawia wykres kołowy przedstawiający procentowy udział poszczególnych gazów w powietrzu. Największą część wykresu zajmuje azot - 78,08%, potem tlen - 20,95%, argon - 0,93%, dwutlenek węgla - 0,03% oraz inne gazy: neon, hel, krypton, wodór, ksenon, ozon - 0,01%.

 Powietrze posłuży nam jako obiekt doświadczalny pozwalający lepiej poznać właściwości gazów.

Obserwacja 2

Wykażemy, że gaz przyjmuje objętość naczynia, w którym się znajduje.

Co będzie potrzebne

• tabletka musująca (np. wapno);

• mała fiolka (może być też mała butelka po napoju z wąską szyjką) wypełniona wodą;

• mały balonik.

Instrukcja

1. Włóż pokruszoną tabletkę musującą do wnętrza balonika.

2. Umieść balonik na szyjce fiolki tak, aby w trakcie jego zakładania żadna część pokruszonej tabletki nie dostała się do wody.

3. Podnieś balonik tak, żeby tabletka wpadła do wody. Pozwól, aby tabletka rozpuściła się.

R1ESYDrHNyn9O

Ilustracja przedstawia przebieg doświadczenia. W pierwszej części widać probówkę z wodą, na której wylot naciągnięty jest balonik. Wewnątrz balonika jest musująca tabletka. W drugiej części tabletka musująca jest już w wodzie, a balonik jest delikatnie napompowany.

Podsumowanie

Balonik powoli napełnia się gazem uwolnionym na skutek reakcji chemicznej, która zaszła między tabletką musującą a wodą w fiolce – objętość balonika wzrasta. Oznacza to, że gaz samorzutnie wypełnia każdą dostępną objętość.

Przeprowadzono obserwację.

Obserwacja 2

Wykażemy, że gaz przyjmuje objętość naczynia, w którym się znajduje.

Co będzie potrzebne

• tabletka musująca (np. wapno);

• mała fiolka (może być też mała butelka po napoju z wąską szyjką) wypełniona wodą;

• mały balonik.

Instrukcja

1. Włożono pokruszoną tabletkę musującą do wnętrza balonika.

2. Umieszczono balonik na szyjce fiolki tak, aby w trakcie jego zakładania żadna część pokruszonej tabletki nie dostała się do wody.

3. Podniesiono balonik tak, żeby tabletka wpadła do wody. Pozwolono, aby tabletka rozpuściła się.

R1ESYDrHNyn9O

Ilustracja przedstawia przebieg doświadczenia. W pierwszej części widać probówkę z wodą, na której wylot naciągnięty jest balonik. Wewnątrz balonika jest musująca tabletka. W drugiej części tabletka musująca jest już w wodzie, a balonik jest delikatnie napompowany.

Podsumowanie

Balonik powoli napełnił się gazem uwolnionym na skutek reakcji chemicznej, która zaszła między tabletką musującą a wodą w fiolce – objętość balonika wzrosła. Oznacza to, że gaz samorzutnie wypełnia każdą dostępną objętość.

Jak widzisz, pod tym względem gazy nie różnią się od cieczy, które również przybierają kształt naczynia, w którym się znajdują. Jednak ciecze wypełniają najczęściej tylko część naczynia. A jak to jest z gazami? Wróćmy do animacji.

R1IU9rTDmVeu2

Aplet przedstawia ruch cząsteczek w gazach. Na aplecie widnieje kwadrat, w którym znajduje się kilkanaście niebieskich kółek symbolizujących cząsteczki bądź atomy. Poruszają się one chaotycznie po całej powierzchni kwadratu zderzając się między sobą oraz uderzając w krawędzie kwadratu.

Aplet przedstawia ruch cząsteczek w gazach. Na aplecie widnieje kwadrat, w którym znajduje się kilkanaście niebieskich kółek symbolizujących cząsteczki bądź atomy. Poruszają się one chaotycznie po całej powierzchni kwadratu zderzając się między sobą oraz uderzając w krawędzie kwadratu.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/b/P16ufBaC2

Czy udało ci się zaobserwować sytuację, w której wszystkie cząsteczki zgromadziły się np. na górze naczynia, a jego dolna część pozostała pusta? Prawda, że nie?

Kiedy siedzisz przed komputerem i przeglądasz ten podręcznik (albo robisz coś innego), nie obawiasz się, że całe powietrze zgromadzi się pod sufitem i nie będziesz mieć czym oddychać. Takie rzeczy się nie zdarzają.

RHZxCwOkJZ2LW

Film dotyczący rozszerzalności gazu.

Film dotyczący rozszerzalności gazu.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RHZxCwOkJZ2LW

Film dotyczący rozszerzalności gazu.

Obserwacja 3

Wykażemy, że siła zewnętrzna może doprowadzić do zmniejszenia objętości gazu.

Co będzie potrzebne

• plastikowa strzykawka.

Instrukcja

1. Wyciągnij tłok do połowy objętości strzykawki.

2. Zatkaj palcem jej wylot.

3. Spróbuj wcisnąć z powrotem tłok przy zatkanym wylocie strzykawki.

RGq17DsHSfp2K

Ilustracja przedstawia przebieg doświadczenia i jest podzielona na trzy części. W pierwszej widnieje strzykawka. Następnie tłok strzykawki jest wyciągnięty do połowy a jej wylot zatkany palcem. Ostatnia część pokazuje próby wciśnięcia tłoka do strzykawki przy zatkanym palcem wylocie strzykawki.

Podsumowanie

Powietrze w strzykawce na początku da się delikatnie ścisnąć, jednak przy dalszym wciskaniu pojawiają się coraz większe opory.

Przeprowadzono obserwację.

Obserwacja 3

Wykażemy, że siła zewnętrzna może doprowadzić do zmniejszenia objętości gazu.

Co będzie potrzebne

• plastikowa strzykawka.

Instrukcja

1. Wyciągnięto tłok do połowy objętości strzykawki.

2. Zatkano palcem jej wylot.

3. Spróbowano wcisnąć z powrotem tłok przy zatkanym wylocie strzykawki.

RGq17DsHSfp2K

Ilustracja przedstawia przebieg doświadczenia i jest podzielona na trzy części. W pierwszej widnieje strzykawka. Następnie tłok strzykawki jest wyciągnięty do połowy a jej wylot zatkany palcem. Ostatnia część pokazuje próby wciśnięcia tłoka do strzykawki przy zatkanym palcem wylocie strzykawki.

Podsumowanie

Powietrze w strzykawce na początku dało się delikatnie ścisnąć, jednak przy dalszym wciskaniu pojawiają się coraz większe opory.

W wodzie gazowanej znajduje się rozpuszczony dwutlenek węgla. Po otwarciu butelki gaz ten gwałtownie ulatuje, zwiększając przy tym swoją objętość (można wtedy zobaczyć bąbelki) i ochładzając się. Zimniejszy gaz zmniejsza z kolei temperaturę wody. Zapytaj rodziców, jak wyglądało otrzymywanie wody gazowanej za pomocą syfonów z pojemnikami z ${\mathrm{CO}}_2$. Proces zwiększania objętości i spadku ciśnienia gazu trwał bardzo krótko, a temperatura spadała tak znacznie, że na powierzchni pojemnika osadzał się szron. Obecnie również można kupić syfony i pojemniki z dwutlenkiem węgla, jednak znacznie częściej używamy butelek z gotową wodą gazowaną.

Ciekawostka

Na powierzchni żyjemy otoczeni mieszaniną gazów, powietrzem, które wywiera na ciało człowieka ciśnienie zwane ciśnieniem atmosferycznym. Zanurzając się w głębokim basenie odczuwamy, że również woda wywiera na nasze ciało ciśnienie, tym większe im głębiej się zanurzamy. Na głębokości $40 \mathrm{m}$ panuje ciśnienieciśnienie $\left(\mathrm{p}\right)$ciśnienie około $5$ razy większe niż to, obecne na powierzchni. Ciśnienie wywierane na nurka ma wpływ na objętość gazów w płucach i ich rozpuszczalność, a co za tym idzie na procesy fizjologiczne zachodzące w organizmie człowieka. Zanurzenie się na znaczną głębokość może być dla organizmu bardzo niebezpieczne i prowadzić do urazów ciśnieniowych płuc, narkozy azotowej, choroby dekompresyjnej, a nawet do śmierci. Dlatego nurkować należy z rozwagą, po przebyciu odpowiednich szkoleń.

Nurkowanie może przebiegać bez możliwości wymiany gazowej, na tzw. wstrzymanym oddechu (rekordziści nurkują na wstrzymanym oddechu do głębokości około $200 \mathrm{m}$) lub z zastosowaniem specjalistycznego sprzętu umożliwiającego oddychanie.

RIoABPAYTz1yI

Zdjęcie przedstawia butlę do nurkowania. Butla stoi na chodniku. Zajmuje całą wysokość zdjęcia. Butla ma kształt cylindra. Zakończona jest gwintowaną szyjką z zaworem. W tle, za chodnikiem, trawa, drzewa i krzaki.

Czy to wszystko? Nie! Wraz ze wzrostem głębokości, a co za tym idzie ciśnienia zwiększa się tzw. ciśnienie parcjalne gazów rozpuszczonych we krwi nurka. Obecny w powietrzu i specjalnych mieszaninach gazów do oddychania azot, wykazuje działanie narkotyczne, tym silniejsze im większa głębokość nurkowania, a co za tym idzie ciśnienie. Objawy narkozy azotowej pojawiają się na głębokościach nurkowania większych niż $30 \mathrm{m}$, powodując obniżenie sprawności umysłowej oraz koncentracji. Dlatego, do nurkowania na dużych głębokościach stosuje się specjalne mieszaniny gazów o zredukowanej ilości azotu.

R18EAZs7TtG3Y

Zdjęcie przedstawia nurka pod wodą. Niebieska woda otacza nurka. Ma on sprzęt specjalistyczny - okulary, maskę tlenową, a na plecach butlę ze sprężonym powietrzem.

Cieplne i elektryczne przewodnictwo gazów

Przewodnictwo cieplne powietrza

Obserwacja 4

Wykażemy, że powietrze nie jest dobrym przewodnikiem ciepła.

Co będzie potrzebne

• dwie jednakowe szklanki;

• słoik o pojemości ok. $1$ litra i takiej średnicy, aby do słoika można było wstawić szklankę; lepsza byłaby zamykana metalowa puszka o podobnej pojemności;

• lodówka.

Instrukcja

1. Do każdej szklanki wlej wodę o temperaturze pokojowej (do $\frac{3}{4}$ objętości).

2. Jedną ze szklanek wstaw do słoika (lub puszki) i zamknij go pokrywką.

3. Słoik (lub puszkę) ze szklanką i drugą szklankę z wodą wstaw do lodówki.

4. Po $30$ minutach sprawdź temperaturę wody w obu szklankach (termometrem lub po prostu włóż palec jednej dłoni do pierwszej szklanki, a drugiej – do drugiej).

R1UIC6qyXvgyu

Ilustracja przedstawia przebieg doświadczenia i jest podzielona na cztery części. W pierwszej dwie identyczne szklanki są napełniane wodą z przezroczystego dzbanka. Pokazane jest, że temperatura wody wynosi osiemnaście stopni celsjusza. W części drugiej jedna ze szklanek została włożona do dużego, zakręconego słoika. W części trzeciej obie szklanki zostały umieszczone na trzydzieści minut w lodówce, przy czym jedna z nich wciąż jest w słoiku. Czwarta część ilustruje mierzenie temperatury wody w obu szklankach.

Podsumowanie

Mimo że woda w obu szklankach znajduje się w podobnych warunkach, woda w szklance umieszczonej w słoiku jest cieplejsza. Oznacza to, że powietrze niechętnie przewodzi ciepło, czyli jest złym przewodnikiem ciepła. Własność ta dotyczy wszystkich gazów.

Przeprowadzono obserwację.

Przewodnictwo cieplne powietrza

Obserwacja 4

Wykażemy, że powietrze nie jest dobrym przewodnikiem ciepła.

Co będzie potrzebne

• dwie jednakowe szklanki;

• słoik o pojemości ok. $1$ litra i takiej średnicy, aby do słoika można było wstawić szklankę; lepsza byłaby zamykana metalowa puszka o podobnej pojemności;

• lodówka.

Instrukcja

1. Do każdej szklanki wlano wodę o temperaturze pokojowej (do $\frac{3}{4}$ objętości).

2. Jedną ze szklanek wstawiono do słoika (lub puszki) i zamknięto go pokrywką.

3. Słoik ze szklanką i drugą szklankę z wodą wstawiono do lodówki.

4. Po $30$ minutach sprawdzono temperaturę wody w obu szklankach (termometrem, można też po prostu włożyć palec jednej dłoni do pierwszej szklanki, a drugiej – do drugiej).

R1UIC6qyXvgyu

Ilustracja przedstawia przebieg doświadczenia i jest podzielona na cztery części. W pierwszej dwie identyczne szklanki są napełniane wodą z przezroczystego dzbanka. Pokazane jest, że temperatura wody wynosi osiemnaście stopni celsjusza. W części drugiej jedna ze szklanek została włożona do dużego, zakręconego słoika. W części trzeciej obie szklanki zostały umieszczone na trzydzieści minut w lodówce, przy czym jedna z nich wciąż jest w słoiku. Czwarta część ilustruje mierzenie temperatury wody w obu szklankach.

Podsumowanie

Mimo że woda w obu szklankach znajduje się w podobnych warunkach, woda w szklance umieszczonej w słoiku jest cieplejsza. Oznacza to, że powietrze niechętnie przewodzi ciepło, czyli jest złym przewodnikiem ciepła. Własność ta dotyczy wszystkich gazów.

Podsumowanie

• Cząsteczki w gazach słabo na siebie oddziałują, ich ruch jest chaotyczny i odbywa się w całej dostępnej przestrzeni.

• Cząsteczki gazu wypełniają całkowicie objętość naczynia, bez względu na jego kształt. Podczas ruchu dochodzi do ich wzajemnych zderzeń i „bombardowania” ścianek pojemnika.

• Najbardziej znaną mieszaniną gazów w przyrodzie jest powietrze. Jest ono mieszaniną azotu $\left(78\%\right)$ i tlenu $\left(21\%\right)$. Pozostały $1\%$ stanowią, między innymi, dwutlenek węgla, gazy szlachetne czy para wodna.

• Gazy nie mają kształtu – przybierają kształt naczynia, w którym się znajdują.

• Gazy nie mają określonej objętości – przybierają objętość naczynia, w którym się znajdują.

• Gazy są ściśliwe (w przeciwieństwie do ciał stałych i cieczy).

• Rozprężanie gazu polega na zwiększaniu jego objętości i spadku ciśnienia.

• Rozprężaniu gazu często towarzyszy obniżenie jego temperatury, co najłatwiej zaobserwować, gdy ten proces zachodzi gwałtownie.

• Gazy są złymi przewodnikami ciepła.

• Powietrze w normalnych nie przewodzi prądu elektrycznego, jednak niektóre gazy mają taką zdolność.

Słownik

Zadanie podsumowujące