Kaasu – olomuoto, määritelmä, ominaisuudet ja esimerkit

Kaasu on yksi neljästä yleisimmästä olomuodosta. Kaasussa molekyylit liikkuvat vapaasti ja ovat toisistaan riippumattomia. Tämä erottaa sen nesteestä, jossa molekyylit ovat löyhästi kiinni toisissaan. Se eroaa myös kiinteästä aineesta, jossa sidokset ovat vahvoja ja pitävät molekyylit yhdessä.

Puhtaassa kaasussa jokainen molekyyli voi koostua yksittäisestä atomista. Se voi olla alkuainemolekyyli, jolloin jokainen molekyyli koostuu useammasta kuin yhdestä samasta atomista, jotka ovat sitoutuneet toisiinsa. Se voi olla yhdisteitä, joissa molekyylit koostuvat useista erilaisista atomeista yhdessä. Esimerkki yksiatomisesta kaasusta on neon, esimerkki alkuainekaasusta on vety ja esimerkki yhdyskaasusta on hiilidioksidi.

Kaasuseos sisältää minkä tahansa edellä mainitun tyypin seoksen, esimerkiksi ilman, jossa on 78 % typpeä, 20 % happea ja 2 % argonia ja hiilidioksidia.

Myrkkykaasuja käytettiin kemiallisina aseina ensimmäisessä maailmansodassa, mutta ne kiellettiin myöhemmin. Maakaasu on luonnollinen metaanin ja muiden kaasujen seos.

Määritelmä ja keskeiset ominaisuudet

Kaasu on aineen olomuoto, jossa hiukkaset (atomit tai molekyylit) liikkuvat vapaasti ja täyttävät vapaasti käytettävissä olevan tilan. Kaasun ominaisuuksia:

• Muoto ja tilavuus: kaasu ei omaa pysyvää muotoa eikä kiinteää tilavuutta vaan laajenee täyttämään säiliönsä.
• Paineen ja tilavuuden suhde: kaasun paine riippuu lämpötilasta ja tilavuudesta (esim. ideaalikaasun yhteydessä PV = nRT).
• Helposti puristuva: kaasu voidaan merkittävästi tiivistää paineella verrattuna nesteisiin ja kiinteisiin aineisiin.
• Diffuusio ja sekoittuminen: kaasuseokset sekoittuvat nopeasti, koska molekyylit liikkuvat vapaasti.

Fysikaaliset ilmiöt ja kaasuoppi

Monia kaasun käyttäytymistä kuvaavia lakeja ja käsitteitä käytetään fysiikassa ja kemiassa:

• Ideaalikaasun laki: PV = nRT, missä P on paine, V tilavuus, n ainemäärä, R kaasuvakio ja T lämpötila (K). Tämä pätee hyvin harvalle, matalan paineen ja korkean lämpötilan kaasuilla.
• Reaalikaasut: todelliset kaasut poikkeavat ideaalikaasun käyttäytymisestä; poikkeamat huomioidaan mm. van der Waalsin yhtälöllä.
• Daltonin laki (osapaineet): seoksen kokonaispaine on yksittäisten kaasujen osapaineiden summa.
• Grahamin laki: kaasujen päinvastainen suhde effuusiosta tai diffuusiosta johtuen on verrannollinen niiden moolimassojen neliöjuuriin.
• RMS-nopeus ja lämpötila: kaasumolekyylien keskimääräinen nopeus kasvaa lämpötilan noustessa ja riippuu moolimassasta.
• Kriittinen piste ja faasimuutokset: kaasun ja nesteen erot voivat kadota kriittisessä pisteessä; kun lämpötila on kriittisen lämpötilan yläpuolella, kaasesta ei voi tiivistää nestettä paineen avulla.

Chemiallinen luokittelu ja esimerkit

Kaasut voidaan luokitella eri tavoilla: alkuainekaasut (esimerkiksi vety, helium, neon), diatomiset kaasut (kuten typpeä ja happea ilmassa), yhdyskaasut (kuten hiilidioksidi) sekä syttyvät kaasut (esim. metaani, metaani mainittu yllä).

Yleisimmät arkikaasut ja käyttöalueet:

• Typpeä (N2): inerttiä, käytetään teollisuudessa suojakaasuna ja jäähdytyksessä nestetyppinä.
• Happea (O2): hengityksessä ja lämmön- tai polton prosesseissa.
• Hiilidioksidi (CO2): hiilidioksidi syntyy palamisessa, käytetään juomia hiilihapollistuksessa ja teollisissa prosesseissa.
• Metaani (CH4): tärkeä polttoaine ja kasvihuonekaasu; maakaasu sisältää metaania.
• Inertit kaasut (He, Ne, Ar): käytetään valolaitteissa, jäähdytyksessä ja suojakaasuissa.

Käytännön sovellukset

Kaasuilla on laaja käyttöala:

• Energiana: maakaasu, vety ja teollisuuskaasut polttoaineena.
• Teollisuusprosesseissa: hitsauskaasut, prosessikaasut, kemianteollisuuden reagointikumppanit.
• Lääketiede: happihoito, anestesia-kaasut.
• Ravitsemus ja elintarvikeala: hiilihappojuomat, pakkausilmastuksen säätely.
• Jäähdytys ja ilmalaitteet: kylmäaineet ja nesteytetyt kaasut (esim. nestetyppi, nestemäinen happi).
• Mittaus ja valvonta: kaasuanalysaattorit, turvallisuusanturit (CO-, O2-, palamiskaasuanturit).

Mittaaminen, varastointi ja erotusmenetelmät

Kaasujen mitattuja suureita ovat paine (Pa, bar, atm), tilavuus (litra, m³), lämpötila (K, °C) ja ainemäärä (mol). Kaasuja varastoidaan paineistettuna pulloihin tai nesteytettynä kryogeenisissä säiliöissä. Tavanomaisia erotusmenetelmiä ovat:

• Ilman tislauksen (ilman jäädyttäminen ja fraktionoitu tislaus) avulla saatavat hapen ja typen erottelut.
• Paineenvaihtoaktiivinen adsorptio (PSA) ja molekyyliseulakalvot teollisiin erotteluihin.

Turvallisuus ja ympäristö

Kaasuihin liittyy useita turvallisuusnäkökohtia:

• Tukahtumisvaihe (asfyksia): inertit kaasut kuten typpi ja argon voivat syrjäyttää ilman hapen suljetussa tilassa.
• Syttyvyys ja räjähdysvaara: metaani, vety ja muut palavammat kaasut voivat olla räjähtäviä oikeissa pitoisuuksissa ilmassa.
• Myrkyllisyys: hiilimonoksidi, kloori ja monet muut voivat olla hengenvaarallisia pieninä pitoisuuksina.
• Ympäristövaikutukset: kasvihuonekaasut kuten hiilidioksidi ja metaani vaikuttavat ilmaston lämpenemiseen.

Myrkkykaasujen käyttö sotatoimissa ensimmäisessä maailmansodassa johti kansainväliseen kieltoon (Kemiallisten aseiden yleissopimus). Nykyään työ- ja teollisuusturvallisuusmääräykset sekä paikalliset hälytys- ja valvontajärjestelmät pyrkivät estämään tapaturmat ja päästöt.

Yhteenveto

Kaasut ovat joustava ja monikäyttöinen olomuoto, jonka käyttäytyminen riippuu lämpötilasta, paineesta ja molekyylien luonteesta. Niiden hallinta vaatii ymmärrystä fysikaalisista laeista, turvallisuusriskeistä ja ympäristövaikutuksista. Arkielämässä ja teollisuudessa kaasut ovat välttämättömiä energiantuotannossa, teollisissa prosesseissa, lääketieteessä ja monissa muissa sovelluksissa.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on kaasu?

K: Miten kaasun molekyylit eroavat nesteen molekyyleistä?

K: Miten kaasun molekyylit eroavat kiinteän aineen molekyyleistä?

K: Onko kaasulla vain yksi tilavuus kuten nesteellä tai kiinteällä aineella?

K: Millaisia erilaisia kaasumolekyylejä on olemassa?

K: Osaatko nimetä esimerkin yksiatomisesta kaasusta?

K: Mikä on kaasuseos?

Hae kirjaimella