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Titel
Gase,
[* 2] im weitesten
Sinn
luftförmige Körper, d. h.
Körper, welche, indem ihre Teilchen das Bestreben haben, sich nach
allen Seiten hin möglichst weit voneinander zu entfernen, mit Expansivkraft
(Spannkraft,
Tension) begabt
sind (s.
Aggregatzustände,
Aerostatik). Im engern
Sinne nennt man jedoch
Gase oder
Luftarten nur solche
luftförmige Körper, welche
unter gewöhnlichen
Druck- und Temperaturverhältnissen als
Flüssigkeiten nicht bestehen können, wie
Sauerstoff,
Stickstoff
und die aus beiden gemischte atmosphärische
Luft,
Wasserstoff,
Chlor,
Stickoxyd,
Kohlenoxyd,
Kohlensäure,
Schwefelwasserstoff,
Ammoniak u.
v. a., im
Gegensatz zu den
Dämpfen, welche
luftförmige Körper sind, die unter gewöhnlichen
Verhältnissen auch im flüssigen Zustand existieren, wie
Wasser-,
Alkohol-,
Äther-, Bromdampf
u. a. (s.
Dampf).
[* 3]
I. Physikalisches.
Wie in ihren chemischen, so sind die auch in vielen ihrer physikalischen
Eigenschaften sehr verschieden,
z. B. in ihren spezifischen
Gewichten
(Sauerstoff ist 16mal,
Chlor 35,5mal so schwer als ein gleich großes
Volumen
Wasserstoff),
in ihrer Fähigkeit, von
Flüssigkeiten und festen
Körpern absorbiert zu werden (s.
Absorption), in ihrer
Farbe
(Chlor z. B.
ist grünlichgelb) etc. Dagegen sind allen
Gasen gewisse physikalische
Eigenschaften gemeinsam.
Vermöge
ihres Bestrebens, sich nach allen Seiten hin auszudehnen
(Ausdehnbarkeit, Expansivvermögen), füllen die
Gase jeden ihnen gebotenen
Raum vollständig aus und äußern im
Ruhestand auf die sie umschließenden Gegenstände nach allen Seiten hin gleichmäßig
einen
Druck
(Spannung, Expansivkraft,
Tension).
Man erklärt das Ausbreitungsbestreben der
Gase gegenwärtig durch die
Annahme, daß die kleinsten Teilchen
derselben in lebhaft fortschreitender
Bewegung sich befinden, daß jedes Gasmolekül immer in gerader
Linie fortgeht, bis es
gegen eine feste Wand oder ein andres
Molekül trifft und von demselben zurückgeworfen wird. Aus dieser
Annahme (mechanische
oder kinetische
Theorie der
Gase) erklären sich mit Leichtigkeit alle für die
Gase geltenden
Gesetze (s.
Wärme),
[* 4] z. B. das
Mariottesche
[* 5] (Boylesche)
Gesetz, daß der
Druck eines (vollkommenen)
Gases seinem
Volumen umgekehrt proportional
ist, das
Gay-Lussacsche
Gesetz, daß alle
Gase bei gleicher Temperaturzunahme sich um gleichviel ausdehnen (s.
Ausdehnung,
[* 6] S. 110 f.), das
Avogadrosche Gesetz, daß
¶
mehr
verschiedene
Gase bei gleichem Druck und gleicher Temperatur in gleichen Raumteilen gleich viele Moleküle enthalten und demnach
die Molekulargewichte gasförmiger Körper sich verhalten wie ihre spezifischen Gewichte. Es erklären sich daraus ferner die
Gesetze der Diffusion
[* 8] (s. d.) und des Ausfließens der
Gase (s.
Ausflußgeschwindigkeit). Alle diese Gesetze gelten mit voller Strenge indes nur für einen idealen, vollkommenen
Gaszustand, in welchem die Moleküle so weit voneinander entfernt sind, daß zwischen ihnen keine Anziehung (Kohäsion) mehr
wirksam ist.
Werden die Moleküle durch Zusammenpressen oder Abkühlen des
Gases einander so weit genähert, daß die molekulare Anziehung
(Kohäsion) sich wieder geltend machen kann, so gehen die in den Zustand der Dämpfe über (s. Dampf) und
werden zunächst zu gesättigtem Dampf, welcher durch weitere Abkühlung oder Zusammenpressung in den flüssigen Zustand übergeht
(Verflüssigung oder Liquefaktion der
Gase). Die
Gase sind demnach nichts andres als ungesättigte oder »überhitzte«
Dämpfe (s. Dampf), welche sehr weit von ihrem Sättigungspunkt entfernt sind, Dämpfe, welche aus Flüssigkeiten
entstanden sind, deren Siedepunkt sehr tief liegt.
Manche
Gase sind sehr leicht zur Flüssigkeit verdichtbar, durch bloße Abkühlung oder auch bei gewöhnlicher Temperatur durch
verhältnismäßig geringen Druck. Wird z. B. die gasförmige schweflige Säure durch eine Kältemischung aus Schnee
[* 9] und Kochsalz
abgekühlt, so verdichtet sie sich zu einer farblosen Flüssigkeit, welche schon bei 10° unter Null siedet.
Zur Zusammendrückung der leichter verdichtbaren
Gase bedient man sich des Örstedschen Kompressionsapparats (s. Piezometer).
[* 10]
Hierbei nimmt ihr Druck zuerst nach dem Boyleschen Gesetz zu. Nähert sich aber das Gas seinem Sättigungspunkt, so verringert
sich sein Rauminhalt schneller als derjenige der Luft. So werden bei 0° Cyan und schweflige Säure bei
einem Druck von 3 Atmosphären, Chlor bei 4, Ammoniak bei 65 Atmosphären flüssig. Schwerer verdichtbare
Gase werden flüssig gemacht,
indem man sie mittels einer Kompressionspumpe (Natterers Kompressionsapparat) in eine starke, mit Ventil
[* 11] versehene eiserne Flasche
[* 12] preßt und gleichzeitig stark abkühlt. Kohlensäure wird auf diese Weise bei 38, Stickstoffoxydul bei 50 Atmosphären
flüssig.
Durch sehr starken Druck und hohe Kältegrade (bis -110°) war es Faraday gelungen, die meisten.
Gase zu Flüssigkeiten zu verdichten;
nur einige wenige, nämlich Wasserstoff, Sumpfgas, Kohlenoxyd, Stickstoffoxyd, Stickstoff, Sauerstoff und daher auch die
aus den beiden letztern
Gasen gemischte atmosphärische Luft, hatten bis in die neueste Zeit allen dahin gerichteten Bemühungen
widerstanden und daher den Namen der permanenten (»beständigen«) Gase erhalten, im Gegensatz zu jenen koerzibeln (»bezwingbaren«)
Gasen; Colladon hatte dieselben bei -30° C. auf 400 Atmosphären, Natterer sogar bis auf 3000 Atmosphären zusammengepreßt,
ohne
Verflüssigung zu erzielen.
Von diesem widerspenstigen Verhalten gibt die mechanische Wärmetheorie folgende Erklärung. Wärme ist nichts andres als Bewegung der kleinsten Körperteilchen oder Moleküle. Die Temperatur, welche wir empfinden oder durch das Thermometer [* 13] messen, entspricht der Energie oder der Wucht dieser Bewegung. Die Energie der Wärmebewegung wirkt der Anziehungskraft (Kohäsion), welche bestrebt ist, die Moleküle eines Gases zu einer Flüssigkeit zusammenrinnen zu lassen, entgegen.
Solange die Temperatur so hoch ist, daß die Wucht der Wärmebewegung jener Anziehungskraft die Wage [* 14] hält oder sie übertrifft, wird das Gas nicht flüssig gemacht werden können, wie sehr man es auch zusammendrücken mag. Für jeden Stoff gibt es daher eine sogen. kritische Temperatur, über welcher der Stoff bei jedem noch so großen Druck gasförmig bleibt. Für Ätherdampf beträgt die kritische Temperatur 196°, für Kohlensäure 31°, für die sogen. permanenten Gase liegt sie sehr tief unter 0°. Bei den Versuchen Colladons und Natterers lag die Temperatur noch oberhalb dieses kritischen Punktes.
Damit die Verflüssigung gelinge, ist es notwendig, neben sehr starkem Druck möglichst tiefe Kälte einwirken zu lassen. Indem Cailletet in Paris [* 15] und Pictet in Genf [* 16] diese Bedingung erfüllten, gelang es ihnen fast gleichzeitig gegen Ende des Jahrs 1877, die bisher sogen. »permanenten« Gase flüssig zu machen. Cailletet drückte die in einer engen dickwandigen Glasröhre mittels einer hydraulischen Presse [* 17] zusammen. Sauerstoffgas, durch flüssige schweflige Säure auf -29° C. abgekühlt, blieb selbst bei einem Druck von 300 Atmosphären noch gasförmig; nun wird rasch ein Hahn [* 18] geöffnet, der einen Teil des Gases in die Luft entweichen läßt; zu der Arbeit, welche das plötzlich sich ausdehnende Gas hierbei leistet, verbraucht es eine so bedeutende Wärmemenge (s. Wärme), daß es um etwa 200° tiefer erkaltet.
Bei dieser plötzlichen Entspannung sah man nun in der Röhre einen Nebel entstehen, welcher aus feinen Tröpfchen oder Bläschen flüssigen Sauerstoffs bestand. Ähnliche Erscheinungen zeigten Stickstoff, Kohlenoxyd, atmosphärische Luft und selbst Wasserstoff. Während Cailletet die genannten Gase nur als zarte Nebel bei plötzlicher Ausdehnung nach starker Zusammenpressung auftreten sah, gelang es Pictet, durch hohen Druck und starke Abkühlung größere Mengen flüssigen Sauerstoffs und Wasserstoffs zu erhalten.
Das Verfahren, dessen er sich bediente, wird durch obenstehende [* 2] Figur erläutert. Das Sauerstoffgas entwickelt sich aus chlorsaurem Kalium, welches in einem starkwandigen eisernen Gefäß [* 19] A erhitzt wird. An das eiserne Gefäß ist eine starkwandige, 3,70 m lange Kupferröhre B angeschraubt, welche bei C ein Manometer [* 20] zum Ablesen des in der Röhre herrschenden Druckes trägt und bei b durch einen Schraubenhahn verschlossen ist. In dieser Röhre wird das Gas durch seinen eignen,
[* 2] ^[Abb.: Apparat zur Darstellung von flüssigem Sauerstoff.] ¶
mehr
durch die fortgesetzte Gasentwickelung sich steigernden Druck zusammengepreßt. Die Röhre B ist umgeben von einem weitern Rohr D, in welchem sich flüssige Kohlensäure (oder Stickstoffoxydul) befindet, welche durch die gekuppelten Pumpen [* 22] F und F' zwischen dem röhrenförmigen Behälter E und dem Rohr D durch die engen Röhren [* 23] eff' in der Richtung der Pfeile in fortwährendem Kreislauf [* 24] gehalten wird. Durch die Wirkung der Pumpen wird eine so rasche Verdampfung der flüssigen Kohlensäure bewirkt, daß ihre Temperatur infolge des hierbei stattfindenden Wärmeverbrauchs auf -130° C. sinkt. Um eine so große Menge (2 kg) Kohlensäure in flüssigem Zustand zu erhalten, ist der Behälter E von einem Rohr G umgeben, in welchem flüssige schweflige Säure, aus dem Behälter H durch die Röhre h kommend, vermittelst der Pumpen I und I' in fortwährenden Kreislauf versetzt, zu raschem Verdampfen gebracht und dadurch bis -60° abgekühlt wird.
Der Behälter H, welcher ähnlich einem Röhrenkessel gebaut ist, wird durch einen Strom kalten Wassers kühl erhalten. Nachdem der Apparat in Gang [* 25] gesetzt ist, steigt der Druck des Sauerstoffs in dem auf -130° C. abgekühlten Rohr auf 525 Atmosphären, sinkt alsdann wieder und bleibt unveränderlich auf 470 Atmosphären. Dieses Sinken und die schließliche Unveränderlichkeit des Druckes zeigt an, daß ein Teil des Gases sich verflüssigt hat. Öffnet man jetzt den Hahn, so entweicht in der That mit großer Heftigkeit ein flüssiger Strahl, welcher bei elektrischer Beleuchtung [* 26] zwei Teile unterscheiden läßt, einen innern durchsichtigen und einen äußern blendend weißen, welch letzterer aus Staub von gefrornem Sauerstoff besteht, da ein Teil der Flüssigkeit bei der äußerst lebhaften Verdampfung durch Verdunstungskälte zum Erstarren gebracht wird. Es gelang Pictet, das spezifische Gewicht des flüssigen Sauerstoffs zu bestimmen; es ergab sich gleich 0,9787. Wasserstoff wurde flüssig bei einem Druck von 650 Atmosphären und bei einer Temperatur von -140°, welche erzielt wird, wenn man statt der Kohlensäure flüssiges Stickstoffoxydul anwendet. Beim Öffnen des Hahns entwich ein undurchsichtiger Flüssigkeitsstrahl von stahlblauer Farbe, und gleichzeitig verursachte der fest gewordene Wasserstoff auf dem Boden ein prasselndes Geräusch wie von niederfallenden Schrotkörnern.
Vgl. Töpfer, Die gasförmigen Körper (Berl. 1877);
Meyer, Die kinetische Theorie der Gase (Bresl. 1877).
II. Technisches.
Gase finden in der Technik mannigfache Verwendung, erfordern aber behufs ihrer Behandlung eigentümliche Vorrichtungen. Mehrfach benutzt man Gase, welche dem Erdboden entströmen, wie im Staat New York bei Fredonia und in der Gegend von Pittsburg, wo aus dem Boden aufsteigende brennbare Gase, in besondern Brunnen [* 27] aufgefangen, zur Beleuchtung von Städten, als Heizmaterial, zum Puddeln, zum Brennen des Porzellans, auch in Hochöfen Verwendung finden. Bei Szlatina in Ungarn, [* 28] auch in China [* 29] werden aus Steinsalzlagern ausströmende Gase benutzt, und an manchen Orten, wie bei Brohl am Laacher See, hat man versucht, der Erde entströmende Kohlensäure zur Darstellung von Bleiweiß [* 30] oder doppeltkohlensaurem Natron zu verwerten.
Weitaus in den meisten Fällen aber werden in der Technik entwickelt. Oft genügt es, gewisse Substanzen zu erhitzen, z. B. Braunstein oder chlorsaures Kali, die in der Hitze Sauerstoff abgeben und ein sauerstoffärmeres Oxyd oder Chlorkalium hinterlassen. Man benutzt zum Erhitzen eine eiserne Flasche, in deren Mündung ein Rohr luftdicht eingesetzt wird, Retorten oder retortenähnliche Metallgefäße, auch wohl, wie bei der Zersetzung von doppeltkohlensaurem Natron, zur Gewinnung von Kohlensäure verschlossene eiserne Kessel mit Rührwerk, wobei das Gas durch ein Rohr im Deckel des Kessels entweicht, oder einen etwas geneigt liegenden cylindrischen Ofen mit Eisenmantel und Ziegelfutter, welcher auf Friktionsrollen ruht und durch Zahnräder in Umdrehung versetzt wird.
Das doppeltkohlensaure Natron gelangt in den obern Teil des Ofens und wird durch Feuerungsgase, welche direkt durch den Ofen strömen und wesentlich auch Kohlensäure liefern, zersetzt. In großen Mengen wird Kohlensäure durch Brennen von Kalk erhalten, freilich nicht rein, weil zur Erzielung vollständiger Verbrennung des Heizmaterials überschüssige Luft in den Ofen eingeführt werden muß und außerdem der Stickstoff derjenigen Luft, die ihren Sauerstoff an das Brennmaterial abgegeben hat, der Kohlensäure sich beimischt. Die Kalköfen zur Gewinnung von Kohlensäure sind kontinuierlich arbeitende Schachtöfen, am obern Teil verengert und durch einen Deckel verschlossen, unter welchem ein seitliches Rohr zur Ableitung des Gases angebracht ist. Ein kräftiges Gebläse [* 31] bewirkt den Luftzug durch die Feuerungen und saugt die Kohlensäure an.
Sehr häufig gewinnt man Gase durch trockne Destillation [* 32] sowohl als Haupt wie als Nebenprodukt. Das Material wird in liegenden, seltener in stehenden cylindrischen Retorten erhitzt, aus welchen die flüchtigen Destillationsprodukte in Kühlapparate [* 33] geleitet werden, um die Dämpfe der starren und flüssigen Produkte zu verdichten und von den Gasen zu trennen (s. Leuchtgas). [* 34] In den Retorten bleibt nach der Zersetzung ein nicht flüchtiger Rückstand, welcher vor der neuen Beschickung entfernt werden muß.
Man hat indes auch kontinuierlich arbeitende Retorten konstruiert, aus welchen das abdestillierte Material ohne Unterbrechung der Arbeit entfernt wird, während frisches in gleichem Maß eingeführt wird (s. Paraffin). [* 35] Aus dem verschiedenartigsten Material, welches aber stets reich an Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff ist oder wesentlich aus diesen Elementen besteht (Stein- und Braunkohle, Holz, [* 36] Torf, Knochen, [* 37] Fett, Öl etc.), erhält man durch trockne Destillation Gasgemische, die aus Kohlenwasserstoffen, Wasserstoff, Kohlenoxyd und Kohlensäure bestehen und hauptsächlich als Heiz- und Leuchtmaterial (Leuchtgas) benutzt werden.
Während in den Retorten der Luftzutritt vollständig ausgeschlossen ist, erhitzt man bei der Gasfeuerung [* 38] (s. d.) gewöhnliches Brennmaterial bei beschränktem Luftzutritt, so daß ein Teil desselben verbrennt und dabei hinreichende Wärme entwickelt, um die Hauptmasse wie bei einer trocknen Destillation zu zersetzen. Das entstehende Gemisch von Gasen und Dämpfen wird hier direkt in die Apparate geleitet, in welchen es zur Verwendung gelangt. Da auch in Schachtöfen das angewandte Brennmaterial nicht vollständig verbrannt wird, so entweichen aus der Gicht brennbare Gase, welche man jetzt häufig auffängt (Gichtgase) und als Brennmaterial benutzt.
Bei vollständiger Verbrennung liefern die Brennmaterialien Kohlensäure und Wasser, und erstere wird häufig aus Koks dargestellt, indem man einen lebhaften Luftstrom durch die brennenden Koks saugt (Kindlerscher Ofen, s. Zucker). [* 39] Wie die durch Brennen von Kalk gewonnene Kohlensäure, ist aber auch diese mit Stickstoff und Sauerstoff gemengt. Bisweilen hat man versucht, auf solche Weise ¶