Gáz vagy gőz?

Ez itt a kérdés, amelyet a Laborkaland Online internetes kémiaverseny szervezői a február 15-én megjelenő újabb példákon és feladatokon keresztül igyekeznek a lehető legszemléletesebb módon megválaszolni. A szén-dioxid szobahőmérsékleten például gőz, de nyáron, a nagy melegben már gáz. Miért? És a habpatron vajon milyen halmazállapotú anyagot tartalmaz? A gőzturbina miért nem gázturbina, és ha már itt tartunk: a vízgáz valóban a víz gáza, vagy valami más? A www.laborkaland.hu honlapon minden kiderül...

Ahhoz, hogy a címben feltett kérdést nagy biztonsággal el lehessen dönteni, a légnemű anyagok viselkedését kell tanulmányoznunk.  Az ideális gázokban a részecskék szabadon mozoghatnak, a rendelkezésre álló teret teljesen kitöltik. Ha azok hőmérsékletét csökkentjük és a nyomást növeljük, a részecskék hőmozgásának mértéke (intezitása) csökken, ezért az egységnyi térfogatban azonos időben  több részecske fog tartózkodni, a részecskesűrűség tehát növekszik.  


Ezt a megfigyelést írja le az egyetemes gáztörvény: pV = nRT, ahol p a gáz nyomása (Pa), V a gáz térfogata (m³), n a gáz kémiai anyagmennyisége (mol), T a gáz hőmérséklete (K), R pedig az egyetemes gázállandó (8,314 J/mol*K).

Amennyiben a hőmérsékletet tovább csökkentjük, és a nyomást növeljük, elérünk egy olyan ponthoz, ahol a molekulák olyan „lomhán” mozognak, és olyan közel kerülnek egymáshoz, hogy szinte „összetapadnak”. A köztük ható másodlagos kötőerőknek köszönhetően az anyag részben cseppfolyósodik. Ekkor már a gáz viselkedése eltér az ideálistól, viselkedése pedig nem írható le az egyetemes gáztörvénnyel.


Bármily meglepően hangzik, de ennek a törvényszerűségnek köszönhető, hogy a szén-dioxid szobahőmérsékleten (31,1 C alatt) gőz, és csak a nyári kánikulában „melegszik gázzá”.

Ezt a különbséget persze mi nem érzékeljük, azonban az a tény, hogy a légnemű halmazállapotnak két fajtája van (gáz és gőz), mégsem lényegtelen: a gőz ugyanis folyadékká tud összesűrűsödni, viszont a gáz nem. A gőz képes nedvesíteni, a gázok mindig szárazak. Míg a vízgőz a megfelelő felületeken lecsapódik, a vízgáz soha nem képes nedvesíteni.

De lássuk, hol húzódik a határ, mi is az a kritikus pont?

A kritikus hőmérséklet és kritikus nyomás által meghatározott pontot nevezzük kritikus pontnak. Ezek az értékek anyagi állandók, vagyis ugyanúgy jellemzik az anyagot, mint az olvadáspont vagy a forráspont. A kritikus hőmérséklet alatti tartományban a nyomástól függ, hogy az anyag a három ismert halmazállapot közül melyikbe sorolható. Ilyenkor a légnemű halmazállapot csakis gőz lehet. Fontos tulajdonsága az anyagoknak, hogy a kritikus hőmérsékletük felett nem lehet cseppfolyósítani őket.

A kritikus hőmérséklet feletti halmazállapotot hívjuk tehát gáznak. A kritikus hőmérséklet alatti légnemű anyagokat pedig gőzöknek nevezzük. Míg a gázokat nem, a gőzöket igenis lehet cseppfolyósítani komprimálással. Mindebből következik, hogy a habpatronban található gáz nagy része bizony folyékony halmazállapotú. Ugyancsak a cseppfolyósításnak köszönhető, hogy a gázokat igen nagy mennyiségben, de viszonylag kis térfogatú helyen lehet szállítani. Viszont ebben az esetben nagyon kell vigyázni a melegítéssel, hiszen ekkor olyan mértékben megnőhet a nyomás, hogy fennáll a robbanás veszélye.

  

Még maradjunk egy pillanatra a gőznél. Fontos tudni róla, hogy remek energiaátadó: a gőzturbinákban vagy a gőzgépekben a hőenergiát mozgási energiaként adja át, hiszen hőmérséklet hatására a nyomás megnövekszik, ez tágulást okoz, és ez mozdítja meg a dugattyút. A gőzgépek általában 170-180 Celsius fokon dolgoznak, nem érik el a fent már leírt kritikus hőmérsékletet, éppen ezért nem beszélhetünk gázgépekről!

Fontos még tisztázni, hogy az, amit vízgáznak nevezünk, nem a víz gáz halmazállapotban, hanem a forró szén és a vízgőz reakciójából keletkező gáz, amely hidrogénből és szén-monoxidból áll.


A Laborkaland Online második fordulójának harmadik feladatsorában a habszifonos patronokhoz kapcsolódó példákon, számításokon keresztül ismerhetik meg a diákok a gázok és gőzök viselkedését.

A független laboratóriumokat működtető WESSLING Hungary Kft. által életre hívott és működtetett Laborkaland Online legfontosabb célja, hogy minél több diák csodálkozhasson rá a kémia világára, mindennapjainkban játszott szerepére. Az internet kitűnően alkalmas erre a célra, hiszen itt bárki hozzáférhet a feladatokhoz, tesztsorokhoz. A verseny nem tét nélküli, hiszen a fődíj: részvétel egy laboratóriumi kalandnapon és kísérletezés a Csodák Palotájában!