¿Hay gases no transparentes?

Question

¿Existen gases que no sean transparentes a temperatura ambiente (es decir, a una temperatura inferior al punto en que la sustancia comienza a irradiar luz visible debido al calentamiento)?

Answer 1

Primero, un poco de antecedentes. La transparencia no es una propiedad absoluta de un material. Cada La sustancia es opaca, siempre y cuando la luz tenga que pasar a través de ella lo suficiente, y la opacidad también cambia según las condiciones ambientales. Algunas sustancias, como la mayoría de los metales, son opacas incluso en $100\ \mathrm{nm}$ películas finas, mientras que muchos gases dejarán pasar una pequeña cantidad de luz casi imperturbable incluso después de varios kilómetros. Por ejemplo, aquí es una medida de la distancia que los fotones de diferentes energías pueden recorrer de media en los elementos puros antes de interactuar una vez con sus átomos (el gráfico es en realidad para los rayos X de alta energía en lugar de las longitudes de onda visibles, pero todos son fotones de todos modos). Tiene sentido intuitivo que un gas deje pasar más luz, ya que los átomos en él están mucho más espaciados que en un sólido o un líquido.

Los dos procesos generales que funcionan para hacer que los materiales no sean transparentes son absorción de fotones y dispersión de fotones (la reflexión se incluye como ejemplo de dispersión). Cuando decimos que un material es "transparente" coloquialmente En general, lo que queremos decir es que el material, en el espesor observado, no dispersa mucho la luz y, por lo tanto, permite el paso de una imagen coherente a través del material (básicamente, se puede ver a través de él hacia el otro lado sin mucha distorsión, es decir, el objeto es "transparente" o borrar ). Curiosamente, esto significa que un material transparente no tiene por qué ser incoloro como ha señalado correctamente Geoff, porque los fotones de un color determinado pueden ser absorbidos dejando pasar la mayoría de las demás longitudes de onda sin que se dispersen.

Los gases, en general, son muy transparentes porque son muy incoloros (absorben poca luz) y muy claros (dispersan poca luz), a menos que se mire a través de varios kilómetros de gas, como ya he mencionado. Sin embargo, hay son ejemplos de gases muy claros pero coloreados, ya que es posible que absorban una cantidad significativa de fotones de una determinada energía debido a transiciones electrónicas de baja energía, mientras dejan pasar el resto del espectro visible sin obstáculos. Mientras que algunos gases son coloreados y otros no, creo que todos los gases puros deben ser muy claros (pequeñas cantidades de gas no dispersan casi nada de luz), y sólo pueden dispersar una buena cantidad de luz a través de una corta distancia en condiciones en las que probablemente ya no se describen mejor como gases (plasmas, fluidos supercríticos, etc.).

Quizá el ejemplo más clásico de gas coloreado sea el dióxido de nitrógeno, $\ce{NO2}$ , un gas nocivo de color marrón intenso que es se forma fácilmente por descomposición del ácido nítrico entre otras cosas. El electrón no apareado en su estructura es algo poco común, y puede ser fácilmente excitado a un estado electrónico superior al absorber fotones en la región azul del espectro visible. Dado que la luz azul es muy absorbida incluso en muestras relativamente finas (unos pocos centímetros de $\ce{NO2}$ gas), el resto de la luz blanca pasa sin apenas dispersión, formando una imagen perfecta del otro lado pero con un fuerte tinte rojo.

Y lo que es más interesante, $\ce{NO2}$ reacciona consigo mismo a bajas temperaturas o altas presiones y se dimeriza para formar tetróxido de dinitrógeno , $\ce{N2O4}$ , un sólido/líquido/gas incoloro (dependiendo de las condiciones). En otras palabras, las dos sustancias se encuentran en un equilibrio reversible:

$$\ce{2 NO2 (g) <=> N2O4 (g) + energy}$$

Casualmente, este equilibrio se caracteriza por una constante de equilibrio cercana a 1 en condiciones ambientales, y esta constante puede modificarse fácilmente variando la temperatura o la presión a valores mayores o menores. Esto significa que, en condiciones relativamente fáciles de conseguir, es posible estudiar el cambio reversible de un gas coloreado en uno incoloro.

( Fuente )

Aunque me centré en $\ce{NO2}$ porque es un caso notable, hay varios otros ejemplos de gases claros pero coloreados. Como mencionó Geoff, todos los halógenos forman gases coloreados, aunque el bromo es un líquido volátil y el yodo es un sólido a temperatura ambiente, por lo que es necesario un pequeño calentamiento. El ozono, $\ce{O3}$ es algo azul ( fuente ), aunque su color se observa mejor en la fase líquida. Lo mismo ocurre con el oxígeno gaseoso, $\ce{O2}$ que es ligeramente azul, aunque no es la causa del cielo azul . Probablemente haya más ejemplos por ahí.

Answer 2

Yo separaría transparente y incoloro .

La mayoría de los gases son transparentes, o casi, porque la concentración es baja y las absorciones suelen ser débiles.

Cloro aunque es de color amarillo-verde, y tiene un color notable (de Wikipedia)

Otros halógenos como el bromo y el yodo sí tienen colores observables como vapor, aunque como se menciona en los comentarios, a menudo se necesita una temperatura ligeramente elevada para que se forme un vapor significativo.

Answer 3

La respuesta a tu pregunta es sí, hay gases no transparentes, sin embargo, depende de la longitud de onda a la que se observe y de la cantidad de gas que se mire. En algunas longitudes de onda el gas es opaco y en otras transparente. La cantidad de luz absorbida depende de su concentración, de la longitud de la trayectoria que atraviesa la luz y de la intensidad con la que una molécula absorbe la luz. Es bastante fácil tener condiciones que absorban el 99,9% de toda la luz en una determinada longitud de onda.

Si se observa en el infrarrojo, los gases simples como el oxígeno o el nitrógeno no tienen transiciones que absorban fotones, ya que no tienen ningún dipolo que pueda "capturar" (en una transición vibracional o rotacional) la energía de un fotón. (Técnicamente las transiciones débiles pueden ocurrir por otras perturbaciones pero para la presente discusión ignoramos estos detalles).

El oxígeno tiene transiciones electrónicas de bajo nivel, es decir, cuando un electrón es promovido desde el estado de tierra a un estado excitado, pero éstas se encuentran en el infrarrojo cercano y no pueden ser observadas a simple vista. NO $_2$ también tiene transiciones electrónicas visibles, ya que es de color marrón, al igual que los gases y vapores halógenos. El vapor de mercurio también absorbe en el visible y esto puede verse como sombras de vapor del líquido cuando es iluminado por la luz también de una lámpara de mercurio. La transición es tan intensa que el vapor se vuelve opaco.

A longitudes de onda más cortas, como la ultravioleta, el oxígeno, el nitrógeno y el vapor de agua, así como la mayoría de los demás vapores y gases, se vuelven opacos a presiones y longitudes de recorrido relativamente bajas.

A longitudes de onda muy cortas, los rayos X son absorbidos por los átomos de una molécula (no por la propia molécula), pero también se dispersan elásticamente (no se imparte energía al átomo como en la difracción) o se dispersan inelásticamente (se imparte algo de energía).