แก๊ส หรือที่เรียกอีกอย่างว่า ก๊าซ ( gas) เป็นสถานะหนึ่งของสสาร ซึ่งจะกลายเป็นของแข็งได้เมื่ออุณหภูมิลดลง ดังนั้น เมื่อมีการเพิ่มพลังงานในรูปของความร้อนเข้าไป ของแข็ง (เช่น น้ำแข็ง) ก็จะละลายเป็นของเหลว (นั่นคือ น้ำ) ในตอนแรก และจากนั้นก็จะเดือด หรือระเหย กลายเป็นก๊าส (นั่นคือ ไอน้ำ) ในบางสถานะ ของเข็ง (เช่น น้ำแข็งแห้ง) สามารถเปลี่ยนไปเป็นแก๊สได้โดยตรง เรียกว่า การระเหิด หากแก๊สได้รับความร้อนต่อไป อะตอมหรือโมเลกุลของแก๊สนั้นก็จะกลายเป็นไอออน และเปลี่ยนจากแก๊สไปเป็นสถานะพลาสมา
สมบัติทั่วไปของแก็ส สมบัติทั่วไปของแก็ส ได้แก่
1. แก๊สมีรูปร่างเป็นปริมาตรไม่แน่นอน เปลี่ยนแปลงไปตามภาชนะที่บรรจุ บรรจุ ในภาชนะใดก็จะมีรูปร่างเป็นปริมาตรตามภาชนะนั้น เช่น ถ้าบรรจุในภาชนะทรงกลมขนาด 1 ลิตร แก๊สจะมีรูปร่างเป็นทรงกลมมีปริมาตร 1 ลิตร เพราะแก็สมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค (โมเลกุล หรืออะตอม) น้อยมาก จึงทำให้อนุภาคของแก๊สสามารถเคลื่อนที่หรือแพร่กระจายเต็มภาชนะที่บรรจุ
2. ถ้าให้แก๊สอยู่ในภาชนะที่เปลี่ยนแปลงปริมาตรได้ ปริมาตรของแก๊สจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความดันและจำนวนโมล ดังนั้นเมื่อบอกปริมาตรของแก๊สจะต้องบอกอุณหภูมิ ความดันและจำนวนโมลด้วย เช่น แก๊สออกซิเจน 1 โมลมีปริมาตร 22.4 dm3 ที่อุณหภูมิ 0 C ความดัน 1บรรยากาศ (STP)
3. สารที่อยู่ในสถานะแก๊สมีความหนาแน่นน้อยกว่าเมื่ออยู่ในสถานะของเหลวและของแข็งมาก เช่น ไอน้ำ มีความหนาแน่น 0.0006 g/cm3แต่น้ำมีความแน่นถึง 0.9584 g/cm3 ที่100 C
4. แก๊สสามารถแพร่ได้ และแพร่ได้เร็วเพราะแก็สมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อยกว่าของเหลวและของแข็ง
5. แก็สต่างๆ ตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปเมื่อนำมาใส่ในภาชนะเดียวกัน แก๊สแต่ละชนิดจะแพร่ผสมกันอย่างสมบูรณ์ทุกส่วน นั้นคือส่วนผสมของแก๊สเป็นสารเดียว หรือเป็นสารละลาย (Solution)
6. แก๊สส่วนใหญ่ไม่มีสีและโปร่งใส่เช่นแก๊สออกซิเจน(O2)แก๊สไฮโดเจน(H2) แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์(CO2)แต่แก๊สบางชนิดมีสี เช่น แก๊สไนโตเจนไดออกไซด์ (NO2) มีสีน้ำตาลแดง แก๊สคลอรีน(Cl2) มีสีเขียวแกมเหลือง แก๊สโอโซน (O3) ที่บริสุทธิ์มีสีน้ำเงินแก่ เป็นต้น
1. แก๊สมีรูปร่างเป็นปริมาตรไม่แน่นอน เปลี่ยนแปลงไปตามภาชนะที่บรรจุ บรรจุ ในภาชนะใดก็จะมีรูปร่างเป็นปริมาตรตามภาชนะนั้น เช่น ถ้าบรรจุในภาชนะทรงกลมขนาด 1 ลิตร แก๊สจะมีรูปร่างเป็นทรงกลมมีปริมาตร 1 ลิตร เพราะแก็สมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค (โมเลกุล หรืออะตอม) น้อยมาก จึงทำให้อนุภาคของแก๊สสามารถเคลื่อนที่หรือแพร่กระจายเต็มภาชนะที่บรรจุ
2. ถ้าให้แก๊สอยู่ในภาชนะที่เปลี่ยนแปลงปริมาตรได้ ปริมาตรของแก๊สจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความดันและจำนวนโมล ดังนั้นเมื่อบอกปริมาตรของแก๊สจะต้องบอกอุณหภูมิ ความดันและจำนวนโมลด้วย เช่น แก๊สออกซิเจน 1 โมลมีปริมาตร 22.4 dm3 ที่อุณหภูมิ 0 C ความดัน 1บรรยากาศ (STP)
3. สารที่อยู่ในสถานะแก๊สมีความหนาแน่นน้อยกว่าเมื่ออยู่ในสถานะของเหลวและของแข็งมาก เช่น ไอน้ำ มีความหนาแน่น 0.0006 g/cm3แต่น้ำมีความแน่นถึง 0.9584 g/cm3 ที่100 C
4. แก๊สสามารถแพร่ได้ และแพร่ได้เร็วเพราะแก็สมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อยกว่าของเหลวและของแข็ง
5. แก็สต่างๆ ตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปเมื่อนำมาใส่ในภาชนะเดียวกัน แก๊สแต่ละชนิดจะแพร่ผสมกันอย่างสมบูรณ์ทุกส่วน นั้นคือส่วนผสมของแก๊สเป็นสารเดียว หรือเป็นสารละลาย (Solution)
6. แก๊สส่วนใหญ่ไม่มีสีและโปร่งใส่เช่นแก๊สออกซิเจน(O2)แก๊สไฮโดเจน(H2) แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์(CO2)แต่แก๊สบางชนิดมีสี เช่น แก๊สไนโตเจนไดออกไซด์ (NO2) มีสีน้ำตาลแดง แก๊สคลอรีน(Cl2) มีสีเขียวแกมเหลือง แก๊สโอโซน (O3) ที่บริสุทธิ์มีสีน้ำเงินแก่ เป็นต้น
กฏรวมแก๊ส
นื่องจากกฎของบอยล์และชาร์ลกล่าวถึงเฉพาะความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรและความดัน และปริมาตรกับอุณหภูมิ แต่การเปลี่ยนแปลงในธรรมชาติอาจเกิดขึ้นพร้อมๆ กัน ดังนั้นจึงมีการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร ความดัน และอุณหภูมิของแก๊สในขณะที่มวลมีค่าคงที่
ความสัมพันธ์ระหว่างความดัน อุณหภูมิ และปริมาตรที่แสดงไว้นี้เรียกว่า “กฎรวมแก๊ส” ซึ่งสามารถไปใช้ในการคำนวณหาความดัน ปริมาตรและอุณภูมิของแก๊สได้ จากกฎของบอยล์ ชาร์ลและเกย์ – ลุสแซก ทั้งสามนี้สามารถนำมารวมได้เป็นกฎรวมแก๊ส ดังสมการ
การแพร่ของก๊าซ
จากการศึกษาสมบัติต่างๆ ของก๊าซที่ผ่านมาจะพบว่าเกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ ความดันและปริมาตร แต่ไม่เกี่ยวข้องกับมวลของก๊าซ ในที่นี้จะได้ศึกษาสมบัติอีกอย่างหนึ่งของก๊าซคือการแพร่
เนื่องจากโมเลกุลของก๊าซมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลาด้วยอัตราเร็วเฉลี่ยคงที่ ขณะที่เคลื่อนที่อาจจะชนกันเองบ้างชนกับโมเลกุลของอากาศที่ก๊าซนั้นเคลื่อนที่ผ่านหรือชนกับผนังภาชนะบ้างจึงทำให้ทิศทางการเคลื่อนที่ไม่แน่นอน ลักษณะของการเคลื่อนที่ดังกล่าวของก๊าซที่เกิดขึ้นในทุกทิศทางก็คือการแพร่นั่นเอง
การแพร่ของก๊าซแบ่งออกเป็น 2 ประเภทตามลักษณะของการเคลื่อนที่
การแพร่ (diffusion) เป็นกระบวนการที่ก๊าซ แพร่จากส่วนที่มีความดันสูง ไปสู่ที่มีความดันต่ำ โดยที่โมเลกุลของก๊าซจะเคลื่อนที่อย่างเป็นกลุ่มก้อนผ่านช่องเล็ก ๆ ในขณะที่เคลื่อนที่
อาจจะมีการชนกันเองบ้าง ชนกับผนังภาชนะบ้าง ลักษณะการแพร่ดังกล่าวนี้จัดว่าเป็นการแพร่ที่เกิดขึ้นตามความเป็นจริง
การแพร่ผ่าน (effusion) เป็นกระบวนการที่ก๊าซแพร่จากส่วนที่มีความดันสูง ไปสู่ส่วนที่มีความดันต่ำ โดยที่โมเลกุลของก๊าซจะเคลื่อนที่ผ่านช่องเล็ก ๆ ทีละโมเลกุลไม่มีการชนกันเอง
ระหว่างโมเลกุลที่กำลังเคลื่อนที่ และไม่มีการชนกับผนังภาชนะ ลักษณะการแพร่ดังกล่าวนี้จึงเป็นเพียงการแพร่ตามทฤษฎี (ideal flow) ไม่ได้เกิดขึ้นจริงเนื่องจากการแพร่และการแพร่ผ่านมีความหมายใกล้เคียงกัน ดังนั้นจะใช้การแพร่แทนทั้งการแพร่ผ่านและการแพร่ เครื่องมือที่ใช้วัดอัตราการแพร่ของก๊าซเรียกว่า effusionmeterการแพร่เป็นปรากฏการณ์ตามธรรมชาติของก๊าซหรือไอที่แพร่กระจายออกไปจากภาชนะที่บรรจุซึ่งจะพบได้เสมอ ๆ ในชีวิตประจำวัน ตัวอย่างเช่น การแพร่ของสารที่มีกลิ่นหอม เช่นน้ำหอม อาหาร หรือกลิ่นบูด เน่าของอาหาร ของของเสียต่าง ๆ เป็นต้น โมเลกุลของสารต่าง ๆเหล่านั้น จะแพร่ผ่านอากาศมากระทบกับจมูก ในบางกรณีจะต้องอยู่ใกล้ ๆ กับสารเหล่านั้นจึงจะได้กลิ่น แต่บางกรณีถึงแม้จะอยู่ไกลออกไปยังคงได้กลิ่นของสารนั้น ๆ บางครั้งเมื่อเปิดขวดน้ำหอมจะได้กลิ่นน้ำหอมภายในเวลาไม่กี่วินาที แต่บางครั้งก็อาจจะใช้เวลานาน ๆ จึงจะได้กลิ่น การที่เป็นเช่นนั้น เนื่องจากสารที่มีกลิ่นเหล่านั้น มีมวลโมเลกุลหรือความหนาแน่นไม่เท่ากัน ทำให้ความสามารถในการแพร่ไม่เท่ากัน
นื่องจากกฎของบอยล์และชาร์ลกล่าวถึงเฉพาะความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรและความดัน และปริมาตรกับอุณหภูมิ แต่การเปลี่ยนแปลงในธรรมชาติอาจเกิดขึ้นพร้อมๆ กัน ดังนั้นจึงมีการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร ความดัน และอุณหภูมิของแก๊สในขณะที่มวลมีค่าคงที่
ความสัมพันธ์ระหว่างความดัน อุณหภูมิ และปริมาตรที่แสดงไว้นี้เรียกว่า “กฎรวมแก๊ส” ซึ่งสามารถไปใช้ในการคำนวณหาความดัน ปริมาตรและอุณภูมิของแก๊สได้ จากกฎของบอยล์ ชาร์ลและเกย์ – ลุสแซก ทั้งสามนี้สามารถนำมารวมได้เป็นกฎรวมแก๊ส ดังสมการ
การแพร่ของก๊าซ
จากการศึกษาสมบัติต่างๆ ของก๊าซที่ผ่านมาจะพบว่าเกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ ความดันและปริมาตร แต่ไม่เกี่ยวข้องกับมวลของก๊าซ ในที่นี้จะได้ศึกษาสมบัติอีกอย่างหนึ่งของก๊าซคือการแพร่
เนื่องจากโมเลกุลของก๊าซมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลาด้วยอัตราเร็วเฉลี่ยคงที่ ขณะที่เคลื่อนที่อาจจะชนกันเองบ้างชนกับโมเลกุลของอากาศที่ก๊าซนั้นเคลื่อนที่ผ่านหรือชนกับผนังภาชนะบ้างจึงทำให้ทิศทางการเคลื่อนที่ไม่แน่นอน ลักษณะของการเคลื่อนที่ดังกล่าวของก๊าซที่เกิดขึ้นในทุกทิศทางก็คือการแพร่นั่นเอง
การแพร่ของก๊าซแบ่งออกเป็น 2 ประเภทตามลักษณะของการเคลื่อนที่
การแพร่ (diffusion) เป็นกระบวนการที่ก๊าซ แพร่จากส่วนที่มีความดันสูง ไปสู่ที่มีความดันต่ำ โดยที่โมเลกุลของก๊าซจะเคลื่อนที่อย่างเป็นกลุ่มก้อนผ่านช่องเล็ก ๆ ในขณะที่เคลื่อนที่
อาจจะมีการชนกันเองบ้าง ชนกับผนังภาชนะบ้าง ลักษณะการแพร่ดังกล่าวนี้จัดว่าเป็นการแพร่ที่เกิดขึ้นตามความเป็นจริง
การแพร่ผ่าน (effusion) เป็นกระบวนการที่ก๊าซแพร่จากส่วนที่มีความดันสูง ไปสู่ส่วนที่มีความดันต่ำ โดยที่โมเลกุลของก๊าซจะเคลื่อนที่ผ่านช่องเล็ก ๆ ทีละโมเลกุลไม่มีการชนกันเอง
ระหว่างโมเลกุลที่กำลังเคลื่อนที่ และไม่มีการชนกับผนังภาชนะ ลักษณะการแพร่ดังกล่าวนี้จึงเป็นเพียงการแพร่ตามทฤษฎี (ideal flow) ไม่ได้เกิดขึ้นจริงเนื่องจากการแพร่และการแพร่ผ่านมีความหมายใกล้เคียงกัน ดังนั้นจะใช้การแพร่แทนทั้งการแพร่ผ่านและการแพร่ เครื่องมือที่ใช้วัดอัตราการแพร่ของก๊าซเรียกว่า effusionmeterการแพร่เป็นปรากฏการณ์ตามธรรมชาติของก๊าซหรือไอที่แพร่กระจายออกไปจากภาชนะที่บรรจุซึ่งจะพบได้เสมอ ๆ ในชีวิตประจำวัน ตัวอย่างเช่น การแพร่ของสารที่มีกลิ่นหอม เช่นน้ำหอม อาหาร หรือกลิ่นบูด เน่าของอาหาร ของของเสียต่าง ๆ เป็นต้น โมเลกุลของสารต่าง ๆเหล่านั้น จะแพร่ผ่านอากาศมากระทบกับจมูก ในบางกรณีจะต้องอยู่ใกล้ ๆ กับสารเหล่านั้นจึงจะได้กลิ่น แต่บางกรณีถึงแม้จะอยู่ไกลออกไปยังคงได้กลิ่นของสารนั้น ๆ บางครั้งเมื่อเปิดขวดน้ำหอมจะได้กลิ่นน้ำหอมภายในเวลาไม่กี่วินาที แต่บางครั้งก็อาจจะใช้เวลานาน ๆ จึงจะได้กลิ่น การที่เป็นเช่นนั้น เนื่องจากสารที่มีกลิ่นเหล่านั้น มีมวลโมเลกุลหรือความหนาแน่นไม่เท่ากัน ทำให้ความสามารถในการแพร่ไม่เท่ากัน