Gaze și plasma

Gaze

 (Particulelele de fum oferă indicii pentru mișcarea gazului înconjurător.)

Gazul este una dintre cele patru stări fundamentale ale materiei (celelalte fiind solide, lichide și plasma. Un gaz pur poate fi alcătuit din atomi individuali (de exemplu, un gaz nobil cum ar fi neonul), molecule elementare dintr-un tip de atom (de exemplu, oxigen) sau molecule compuse realizate dintr-o varietate de atomi (de exemplu dioxid de carbon). Un amestec de gaz conține o varietate de gaze pure asemănătoare aerului. Ceea ce distinge un gaz de lichide și solide este separarea vastă a particulelor individuale de gaze. Această separare face, de obicei, gazul să fie incolor, invizibil pentru observatorul uman. Interacțiunea dintre particulele de gaze în prezența câmpurilor electrice și gravitaționale este considerată neglijabilă. Un tip de gaz cunoscut este aburul.

Starea gazoasă a materiei se găsește între stările lichide și cele din plasmă, din care ultima reprezintă limita superioară a temperaturii pentru gaze. În zona inferioară a scalei de temperatură se află gazele cuantice degenerative cărora li se acordă o atenție din ce în ce mai mare. Gazele atomice cu densitate superioară super răcite la temperaturi incredibil de scăzute sunt clasificate în funcție de comportamentul lor statistic fie ca gaz Bose, fie ca gaze Fermi.

Singurele elemente chimice care sunt molecule homonucleare stabile diatomice la temperatură și presiune standard sunt hidrogenul (H₂), azotul (N₂), oxigenul (O₂) și doi halogeni: fluor (F₂) și clor (Cl₂). Când sunt grupate împreună cu gazele nobile monatomice – heliu (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe) și radon (Rn) – aceste gaze se numesc „gaze elementare”.

Caracteristici fizice

Deoarece cele mai multe gaze sunt greu de observat direct, ele sunt descrise prin utilizarea a patru proprietati fizice sau caracteristici macroscopice: presiunea, volumul, numarul de particule (chimiștii le grupează pe moli) și temperatura. Aceste patru caracteristici au fost observate în mod repetat de către oameni de știință precum Robert Boyle, Jacques Charles, John Dalton, Joseph Gay-Lussac și Amedeo Avogadro pentru o varietate de gaze în diverse situații. Studiile detaliate ale acestora au condus, în final, la o relație matematică între aceste proprietăți, exprimată prin legea ideală privind gazele.

Particulele de gaz sunt separate foarte mult una de cealaltă și, prin urmare, au legături intermoleculare mai slabe decât lichidele sau solidele. Aceste forțe intermoleculare rezultă din interacțiunile electrostatice dintre particulele de gaz. Suprafețele cu încărcare similară ale diferitelor particule de gaz se resping, în timp ce regiunile încărcate opus ale unor particule de gaz diferite se atrag una pe cealaltă; gazele care conțin ioni încărcați permanent sunt cunoscute sub denumirea de plasme. Compușii gazoși cu legături covalente polare au dezechilibre de sarcină permanente și prin urmare se confruntă cu forțe intermoleculare relativ puternice, în timp ce sarcina netă a compusului rămâne neutră. În cazul legăturilor covalente nepolarizate ale moleculelor există încărcări induse aleatoriu, iar interacțiunile electrostatice cauzate de acestea sunt denumite forțe Van der Waals. Interacțiunea acestor forțe intermoleculare variază în cadrul unei substanțe care determină multe dintre proprietățile fizice unice pentru fiecare gaz. O comparație a punctelor de fierbere pentru compușii formați prin legături ionice și covalente ne conduce la această concluzie. Particulele de fum care se deplasează în imagine oferă o anumită perspectivă asupra comportamentului gazului de joasă presiune.

În comparație cu alte stări de materie, gazele au densitate și vâscozitate scăzute. Presiunea și temperatura influențează particulele într-un anumit volum. Această variație a separării particulelor și a vitezei este denumită compresibilitate. Această separare și dimensiune a particulelor influențează proprietățile optice ale gazelor. În cele din urmă, particulele de gaz se răspândesc în afară sau difuzează pentru a se distribui în mod omogen în orice container.

Plasma

(Redarea artistică a fântânii cu plasmă a Pământului, care prezintă oxigenul, heliul și ionii de hidrogen care izbucnesc în spațiu din regiunile din apropierea polilor Pământului. Zona galbenă slabă prezentată deasupra polului nordic reprezintă gazul pierdut de Pământ în spațiu; zone verde este aurora borealis, unde energia plasmei revine în atmosferă.)

Plasma este una dintre cele patru stări fundamentale ale materiei și a fost descrisă pentru prima dată de chimistul Irving Langmuir în anii 1920. Spre deosebire de celelalte trei stări, solid, lichid și gaz, plasmă nu există în mod liber pe suprafața Pământului în condiții normale și poate fi generat artificial numai prin încălzirea sau supunerea unui gaz neutru în un câmp electromagnetic puternic până la punctul în care o substanță gazoasă ionizată devine din ce în ce mai conductivă din punct de vedere electric și câmpurile electromagnetice domină comportamentul materiei.

Plasmele și gazele ionizate au proprietăți și comportamente de afișare unice spre deosebire de cele ale celorlalte stări, iar tranziția dintre ele este în mare parte o chestiune de nomenclatură și este supusă interpretării. Pe baza temperaturii și a densității mediului înconjurător, se pot produce forme de plasmă parțial ionizate sau complet ionizate. Semnele cu neon sau furtunile cu fulgere sunt exemple de plasmă parțial ionizată, în timp ce interiorul Soarelui este un exemplu de plasmă complet ionizată, împreună cu coroanele solare și stelele.

Sarcina pozitivă în ioni este obținută prin îndepărtarea electronilor din nucleele atomice. Numărul de electroni eliminați este legat fie de creșterea temperaturii, fie de densitatea locală a altor materii ionizate. Acest lucru poate fi, de asemenea, însoțit de disocierea legăturilor moleculare, deși acest proces este diferit de procedeele chimice ale interacțiunilor ionice în lichide sau comportamentul ionilor disociați în metale. Răspunsul plasmei la câmpurile electromagnetice poate fi util în multe dispozitive tehnologice moderne, cum ar fi televizoarele cu plasmă sau gravura cu plasmă.

Plasma poate fi forma cea mai abundentă a materiei obișnuite din univers, deși această ipoteză se bazează în prezent pe existența și proprietățile necunoscute ale materiei întunecate. Plasma este în cea mai mare parte asociată cu stele, extinzându-se la mediul intracluster rar și, eventual, la regiunile intergalactice.

Definiție

Plasma este o stare de materie în care o substanță gazoasă ionizată devine foarte conductivă din punct de vedere electric până la punctul în care câmpurile electrice și magnetice pe un interval larg domină comportamentul materiei. Această stare poate fi în contrast cu alte stări: solidă, lichidă și gaz. Spre deosebire de aceste alte stări de materie, plasma, în general, nu există în mod natural pe suprafața Pământului în condiții normale și trebuie să fie generată artificial din gaze neutre.

Plasma este un mediu neutru din punct de vedere electric formată din particule pozitive și negative nelegate (adică încărcarea globală a unei plasme este aproximativ zero). Deși aceste particule sunt nelegate, ele nu sunt „libere” în sensul că nu se confruntă cu forțe. Mișcarea particulelor încărcate generează un curent electric în interiorul unui câmp magnetic și orice mișcare a unei particule de plasmă încărcată afectează și este afectată de câmpurile create de celelalte încărcări. La rândul său, aceasta guvernează comportamentul colectiv cu multe grade de variație. Trei factori definesc o plasmă:

1. Aproximarea în plasmă: Aproximarea în plasmă se aplică atunci când parametrul plasmatic, λ, reprezentând numărul de purtători de încărcătură din sferă (numit sfera Debye a cărui rază este lungimea de screening Debye) care înconjoară o particulă încărcată dată, este suficient de mare pentru a proteja influența electrostatică a particulei în afara sferei.
2. Interacțiuni în vrac: Lungimea de screening Debye (definită mai sus) este scurtă în comparație cu dimensiunea fizică a plasmei. Acest criteriu înseamnă că interacțiunile în cea mai mare parte a plasmei sunt mai importante decât cele de la marginile sale, unde pot avea loc efecte limită. Când acest criteriu este îndeplinit, plasma este quasineutră.
3. Frecvența plasmei: Frecvența plasmatică electronică (măsurarea oscilațiilor plasmatice ale electronilor) este mare în comparație cu frecvența de coliziune neutră la electroni (frecvența de măsurare a coliziunilor dintre electroni și particule neutre). Când această condiție este valabilă, interacțiunile electrostatice domină asupra proceselor cinetice ale gazului obișnuit.