Trzy wspólne fazy (lub stany) materii to gazy, ciecze i ciała stałe. Gazy mają najmniejszą gęstość z tych trzech, są bardzo ściśliwe i całkowicie wypełniają każdy pojemnik, w którym są umieszczone. Gazy zachowują się w ten sposób, ponieważ ich siły międzycząsteczkowe są stosunkowo słabe, więc ich cząsteczki stale poruszają się niezależnie od innych cząsteczek. Z kolei ciała stałe są stosunkowo gęste, sztywne i nieściśliwe, ponieważ ich siły międzycząsteczkowe są tak silne, że molekuły są w zasadzie zablokowane w miejscu. Ciecze są stosunkowo gęste i nieściśliwe, podobnie jak ciała stałe, ale łatwo dostosowują się do kształtu swoich pojemników, podobnie jak gazy. Można zatem stwierdzić, że suma sił międzycząsteczkowych w cieczach znajduje się pomiędzy siłami występującymi w gazach i ciałach stałych. Rysunek 10.1.1 porównuje te trzy stany materii i ilustruje różnice na poziomie molekularnym.

Stan danej substancji zależy silnie od warunków. Na przykład, H2O jest powszechnie spotykany we wszystkich trzech stanach: stały lód, ciekła woda i para wodna (jego postać gazowa). W większości warunków spotykamy wodę jako ciecz, która jest niezbędna do życia; pijemy ją, gotujemy z nią i kąpiemy się w niej. Kiedy temperatura jest wystarczająco niska, by zamienić ciecz w lód, możemy jeździć na nartach lub łyżwach, pakować ją do kuli śnieżnej lub rożka śnieżnego, a nawet budować z niej domy. Para wodnaRóżnica między gazem a parą jest subtelna: termin „para” odnosi się do gazowej formy substancji, która w normalnych warunkach (25°C, 1,0 atm) jest cieczą lub ciałem stałym. Azot (N2) i tlen (O2) są więc określane jako gazy, natomiast woda w postaci gazowej w atmosferze nazywana jest parą wodną. jest składnikiem powietrza, którym oddychamy, i powstaje zawsze, gdy podgrzewamy wodę do gotowania jedzenia lub parzenia kawy czy herbaty. Para wodna o temperaturze wyższej niż 100°C nazywana jest parą. Para jest używana do napędzania dużych maszyn, w tym turbin, które wytwarzają energię elektryczną. Właściwości trzech stanów skupienia wody są podsumowane w tabeli 10.1.1

Struktura geometryczna oraz właściwości fizyczne i chemiczne atomów, jonów i cząsteczek zazwyczaj nie zależą od ich stanu skupienia; poszczególne cząsteczki wody w lodzie, wodzie ciekłej i parze wodnej, na przykład, są identyczne. W przeciwieństwie do tego, makroskopowe właściwości substancji zależy silnie od jej stanu fizycznego, który jest określony przez siły międzycząsteczkowe i warunki, takie jak temperatura i ciśnienie.

Rysunek 10.1.2 pokazuje lokalizacje w układzie okresowym tych pierwiastków, które są powszechnie spotykane w stanie gazowym, ciekłym i stałym. Z wyjątkiem wodoru, pierwiastki, które występują naturalnie jako gazy, znajdują się po prawej stronie układu okresowego. Spośród nich wszystkie gazy szlachetne (grupa 18) są gazami jednoatomowymi, podczas gdy inne gazowe pierwiastki są cząsteczkami dwuatomowymi (H2, N2, O2, F2 i Cl2). Tlen może również tworzyć drugi alotrop, wysoce reaktywną trójatomową cząsteczkę ozonu (O3), która również jest gazem. Z kolei brom (Br2) i rtęć (Hg) są cieczami w normalnych warunkach (25°C i 1,0 atm, powszechnie określanych jako „temperatura i ciśnienie pokojowe”). Gal (Ga), który topi się w temperaturze zaledwie 29,76°C, można zamienić w ciecz po prostu trzymając pojemnik z nim w dłoni lub trzymając go w nieklimatyzowanym pomieszczeniu w gorący letni dzień. Pozostałe pierwiastki w normalnych warunkach są ciałami stałymi.

Wiele pierwiastków i związków chemicznych, z którymi mieliśmy do tej pory do czynienia, występuje zazwyczaj jako gazy; niektóre z bardziej powszechnych są wymienione w tabeli 10.1.2 . Do substancji gazowych należy wiele wodorków dwuskładnikowych, takich jak halogenki wodoru (HX); wodorki chalkogenów; wodorki pierwiastków grupy 15 – N, P i As; wodorki pierwiastków grupy 14 – C, Si i Ge; oraz diboran (B2H6). Ponadto, wiele prostych kowalencyjnych tlenków niemetali to gazy, takie jak CO, CO2, NO, NO2, SO2, SO3 i ClO2. Wiele związków organicznych o małej masie cząsteczkowej również jest gazami, w tym wszystkie węglowodory z czterema lub mniejszą liczbą atomów węgla oraz proste cząsteczki takie jak eter dimetylowy, chlorek metylu (CH3Cl), formaldehyd (CH2O) i aldehyd octowy (CH3CHO). Wreszcie, czynniki chłodnicze, takie jak chlorofluorowęglowodory (CFC) i wodorochlorofluorowęglowodory (HCFC) są gazami, które można łatwo skroplić przez sprężanie, a z kolei ciecze można zamienić w gazy przez obniżenie ciśnienia cieczy. Zmiana fazy z cieczy w gaz w rurkach wewnątrz lodówki powoduje chłodzenie, podczas gdy sprężanie w wężownicach na dole lub z tyłu lodówki ogrzewa pomieszczenie. Amoniak i SO2 to inne ściśliwe gazy, które były używane jako czynniki chłodnicze, ale nie mogą być stosowane w domach ze względu na ich trującą naturę. Amoniak jest nadal używany jako czynnik chłodniczy w dużych obiektach komercyjnych ze względu na jego wydajność i niski koszt.

Wszystkie wymienione wcześniej substancje gazowe (poza monatomowymi gazami szlachetnymi) zawierają wiązania kowalencyjne lub polarne i są cząsteczkami niepolarnymi lub polarnymi. W przeciwieństwie do tego, silne elektrostatyczne atrakcje w związkach jonowych, takich jak NaBr (temperatura wrzenia = 1390 ° C) lub LiF (temperatura wrzenia = 1673 ° C), uniemożliwiają im istnieć jako gazy w temperaturze pokojowej i ciśnienia. Ponadto, najlżejsi członkowie danej rodziny związków są najprawdopodobniej gazami, a temperatury wrzenia związków polarnych są zazwyczaj wyższe niż temperatury wrzenia związków niepolarnych o podobnej masie cząsteczkowej. Dlatego też, w danej serii związków, najlżejsze i najmniej polarne człony są najprawdopodobniej gazami. Ze stosunkowo nielicznymi wyjątkami, jednakże związki o więcej niż około pięciu atomach z okresu 2 lub niższego są zbyt ciężkie, aby istnieć jako gazy w normalnych warunkach.

Choć gazy mają szeroki wachlarz zastosowań, uważa się, że szczególnie ponure zastosowanie substancji gazowej zostało wykorzystane przez Persów w rzymskim mieście Dura we wschodniej Syrii w trzecim wieku naszej ery. Persowie wykopali tunel pod murami miasta, aby wejść do miasta i je podbić. Archeologiczne dowody sugerują, że kiedy Rzymianie odpowiedzieli kontr tunelami, by przerwać oblężenie, Persowie zapalili bitum i kryształy siarki, wytwarzając gęsty, trujący gaz. Prawdopodobnie miechy lub kominy rozprowadzały toksyczne opary. Szczątki około 20 rzymskich żołnierzy zostały odkryte u podstawy murów miejskich przy wejściu do tunelu o wysokości mniejszej niż 2 m i długości 11 m. Ponieważ jest bardzo mało prawdopodobne, że Persowie mogli zabić tak wielu Rzymian przy wejściu do tak ciasnej przestrzeni, archeolodzy spekulują, że starożytni Persowie użyli wojny chemicznej, aby skutecznie zdobyć miasto.

.