ГАЗЫ

ГАЗЫ — вещества, агрегатное состояние к-рых характеризуется тем, что расстояния между молекулами по сравнению с их размерами настолько велики, что молекулы оказываются не связанными или слабо связанными силами межмолекулярного взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объем. В отличие от Г., в жидкостях и твердых телах «упаковка» молекул вещества более плотна и соответственно более сильно межмолекулярное взаимодействие.

Многие вещества могут быть переведены в газообразное состояние соответствующим подбором давления и температуры. Так, напр., при давлении в 1 ат и t° 100° вода переходит в газообразное состояние (водяной пар). Температуры перехода нек-рых веществ из жидкого в газообразное состояние (и обратно) при атмосферном давлении приведены в табл. 1.

Основные параметры Г. (давление, объем и температура) обусловливаются количеством частиц в единице объема, средней кинетической энергией поступательного движения молекулы и др. Связь между ними устанавливается молекулярно-кинетической теорией, основанной на идеях М. В. Ломоносова, развитых Больцманом (L. Boltzmann, 1844 — 1906), Клаузиусом (R. Clausius, 1822 —1888), Максвеллом (J. С. Maxwell, 1831 — 1879) и др. В этой теории Г. рассматриваются как статистическая совокупность беспорядочно двигающихся и упруго соударяющихся между собой свободных частиц.

Газ, межмолекулярным взаимодействием частиц к-рого, так же как и его собственным объемом, можно пренебречь, называется идеальным Г. Для практических расчетов пользуются уравнением состояния идеального Г. (уравнение Клапейрона— Менделеева), описывающим соотношение между давлением Р, объемом данной массы газа V и абсолютной температурой T:

PV= M/μ RT, где М — масса газа в кг, μ — масса одного киломоля, R — универсальная газовая постоянная (R = 8,31*10³ дж/кмоль*град).

Уравнение Клапейрона — Менделеева обобщает газовые законы Бойля—Мариотта (при постоянной температуре объем данной массы газа обратно пропорционален давлению) и Гей-Люссака (при постоянном давлении объем данной массы газа прямо пропорционален абсолютной температуре). Из уравнения следует также, что при одинаковых температуре и давлении 1 моль любого идеального газа занимает равный объем (24,414 л) и содержит одинаковое число молекул (закон Авогадро). Уравнение Клапейрона— Менделеева используют и для реальных Г., находящихся в условиях, близких к идеальному Г. (при низких давлениях, не выше атмосферного), и температурах, достаточно далеких от точки их сжижения.

Обычно же для реальных Г., а также для паров, далеких от насыщения, пользуются уравнением Вандер-Ваальса:

где a и b — константы, зависящие от природы данного Г.: величина а учитывает силы притяжения между молекулами, b — объем самих частиц. Значения а и b для нек-рых газов приведены в табл. 2.

Г., входящий в состав смеси из разнородных, химически не взаимодействующих Г., характеризуется парциальным давлением, т. е. давлением, к-рое имел бы данный Г., занимая объем, равный объему смеси при той же температуре. Полное давление смеси идеальных Г. равняется сумме их парциальных давлений (закон Дальтона). Растворимость в смеси Г. пропорциональна парциальному давлению каждого из газов (закон Генри).

В природе Г. встречаются как в свободном состоянии, составляя атмосферу Земли, так и в растворенном — в водах Мирового океана — или абсорбированном в горных породах.

Атмосфера (см.) находится в состоянии постоянного обмена с твердой и жидкой оболочками Земли и с биосферой, к-рая ассимилирует 10¹¹ т двуокиси углерода в год и выделяет кислород. Кроме того, в атмосферу выбрасываются различные Г. при вулканических извержениях, выделяющиеся в результате геохим. процессов (сернистый газ и др.), образующиеся при бактериальном разложении органических веществ (метан и его гомологи, двуокись углерода, сероводород, азот, кислород, изредка водород и большое число летучих метаболитов). Огромное число самых различных Г., в т. ч. опасных для существования живых организмов, попадает в атмосферу в результате деятельности человека, в связи с чем все более острой становится проблема борьбы с загрязнением окружающей среды (см.).

В промышленности используется более 30 различных Г. Их применяют в качестве топлива, сырья для хим. промышленности, создания инертной атмосферы при сварке и высокотемпературной обработке нек-рых легко окисляющихся металлов, в качестве теплоносителей и рабочих тел в двигателях внутреннего сгорания, в паровых, реактивных двигателях, в газовых турбинах, в газоразрядных трубках, в специальных свистках для генерирования ультразвуковых колебаний и т. д.

Постоянный обмен Г. между организмом и окружающей его средой является одним из основных условий существования живых существ (см. Газообмен).

Особое место занимает кислород. Необходимый для жизнедеятельности этот Г. в больших концентрациях и особенно при повышенном давлении может привести к кислородному отравлению с эйфорией на первых стадиях и с потерей сознания в дальнейшем. При недостатке кислорода возникает кислородное голодание (см. Кислородная терапия).

Г. в зависимости от их природы оказывают различное влияние на организм. Двуокись углерода, этилен, шестифтористая сера, ксенон, азот и аргон (при повышенных давлениях), а также закись азота и циклопропан обладают наркотическим действием (см. Наркотические средства). Два последних Г. нашли широкое применение в хирургии для ингаляционного наркоза.

Нек-рые Г. обладают леч. действием и, входя в состав минеральных вод, в определенной степени обусловливают их леч. свойства (см. Минеральные воды). Часто в минеральных водах содержится двуокись углерода, метан, сероводород, радон и гелий. Двуокись углерода применяют в водолечении (углекислые ванны). Фруктовые и минеральные воды, шампанское и нек-рые другие напитки насыщаются двуокисью углерода, что придает им своеобразный вкус и освежающие свойства, а также повышает стойкость напитков при хранении.

Основной (по объему) компонент дыхательной смеси — азот — находится в организме в небольшом количестве и только в растворенном виде. Свободный азот в обычных условиях, очевидно, не играет какой-либо физиол, роли, однако при повышенном давлении (2—5 атм) может вызвать кессонную болезнь (см. Декомпрессионная болезнь). Для предотвращения последней в дыхательной смеси для водолазов часто используют гелий, т. к. он очень плохо растворяется в крови. Использование гелия возможно и в атмосфере кабин космических кораблей.

Многие Г. представляют опасность в пожарном отношении. Поэтому Г., используемые в быту, для облегчения их обнаружения одорируют меркаптанами, запах к-рых человек чувствует в ничтожных концентрациях (3*10^-1 г/см³). Многие Г., применяемые в промышленности в качестве сырья или выделяющиеся при нек-рых производственных процессах, ядовиты. К ним относятся: газоанализаторами (см.), следящими за концентрацией вредных примесей в воздухе. Тщательное соблюдение условий технических процессов и техники безопасности резко снижает число случаев острых или хрон, отравлений ядовитыми газами.

Таблица 1 ТЕМПЕРАТУРА ПЕРЕХОДА НЕКОТОРЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ЖИДКОГО СОСТОЯНИЯ В ГАЗООБРАЗНОЕ (И ОБРАТНО)

Таблица 2 ЗНАЧЕНИЯ КОНСТАНТ а и b ДЛЯ НЕКОТОРЫХ ГАЗОВ

Примечание:    а    — константа, учиты вающая силы притяжения между молекулами; b — константа, учитывающая объем частиц.

Библиогр.: Беркович E. М. Энергетический обмен в норме и патологии, М., 1964, библиогр.; Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч. и Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., М., 1961; Кикоин И. К. и Кикоин А. К. Молекулярная физика, М., 1963; Полинг Л. Общая химия, пер. с англ., М., 1974; Pauling L. Molecular theory of general anesthesia, Science, v. 134, p. 15, 1961.

В. Б. Акопян.