(credito fotografico: Efram Goldberg)
[Nota: la fiala più a sinistra viene raffreddata a -196 ° C e coperta da uno strato bianco di brina .]

$ NO_2 $ è un buon esempio di gas colorato. $ N_2O_4 $ (incolore) esiste in equillibrium con $ NO_2 $. A temperature più basse (a sinistra nella foto di Wikipedia), $ N_2O_4 $ è favorito, mentre a temperature più alte $ NO_2 $ è preferito.

Affinché un gas abbia colore, deve esserci una transizione elettronica corrispondente al energia della luce visibile.

$ F_2 $ (giallo pallido), $ Cl_2 $ (verde pallido), $ Br_2 $ (rossastro ) e $ I_2 $ (viola) sono altri esempi di gas con colore.

Un'analisi completa di quanto sia visibile o invisibile un gas prenderebbe in considerazione la densità del gas, la lunghezza del percorso della luce, la funzione di diffusione di Rayleigh del gas e la Coefficienti di assorbanza di qualsiasi transizione elettronica disponibile per le molecole di gas o atomi nell'intervallo visibile.

Prima di tutto, le molecole di gas non sono invisibili. Ci sono molti elementi il ​​cui stato gassoso è abbastanza colorato, ma questi (iodio, ad esempio) sono in quantità così rare nell'atmosfera che l'effetto netto non è distinguibile all'occhio. Successivamente, se cerchi su Google "curve di trasmissione atmosferica", vedrai tutti i tipi di assorbimento spettrale in corso, di nuovo a velocità che normalmente non sono rilevabili dall'occhio.

Come accade, più le specie prevalenti (azoto, ossigeno, CO2, ecc.) non assorbono o riflettono in modo significativo sullo spettro visibile. Questo è in parte (anche se non del tutto - questa diventa una questione biologica piuttosto che fisica) perché i nostri occhi vedono nella gamma che vedono.

EDIT: per richiesta di @ DavidRicherby aggiungendo: questi gas non assorbono perché hanno nessuna risonanza o gap del guscio elettronico corrispondente - o come si dice tutti, perché la sezione trasversale di assorbimento che hanno è abbastanza piccola da non distinguere l'effetto netto ai nostri occhi

Come è stato detto da molte risposte; tutti i gas non sono incolori, ad esempio il gas cloro è di un giallo pallido; il che è positivo perché è molto pericoloso.

Quindi i gas nella nostra atmosfera sono incolori. Ma questo è completamente il modo sbagliato di vederlo. Se i nostri occhi operassero a frequenze bloccate dai gas nell'atmosfera, non funzionerebbero molto bene. E questo è un punto importante perché i gas nella nostra atmosfera non sono trasparenti a tutte le frequenze. Ad esempio, questo è lo spettro di assorbimento del vapore acqueo:

^{riprodotto da http: //en.wikipedia .org / wiki / Electromagnetic_absorption_by_water # Atmospheric_effects}

Se i nostri occhi operassero a circa 100 nm vivremmo in un mondo molto buio, quasi tutta la luce verrebbe assorbita dall'atmosfera. Lo stesso se operassero a 10 micrometri. Ma i nostri occhi si sono evoluti per utilizzare la luce che era a loro disposizione; e quella luce era tra 400-700 nm; proprio nel mezzo di quel calo dell'assorbimento (ovviamente dovresti guardare anche gli spettri di assorbimento di azoto e ossigeno per ottenere un quadro completo).

Quindi il motivo per cui non possiamo vedere i gas comuni ; perché l'evoluzione ha ottimizzato i nostri occhi per funzionare in quel modo. Se ci fossimo evoluti in un'atmosfera composta principalmente da gas di cloro, scommetterei che ci saremmo ancora domandati "Perché non possiamo vedere i gas?" e qualcuno avrebbe tirato fuori i controesempi di come fossero visibili i gas rari (nel loro mondo), vapore acqueo, ossigeno e azoto.

Alcuni gas sono effettivamente visibili (ad esempio il biossido di azoto). L'aria è invisibile, perché le sue molecole non assorbono la luce visibile. Queste molecole semplicemente non hanno modalità di vibrazione utili disponibili per assorbire queste lunghezze d'onda, o gli elettroni nei loro orbitali non possono utilizzare le frequenze della luce visibile per spostarsi verso un orbitale più alto (le differenze di energia non corrispondono alla luce visibile).

In qualche altra parte dello spettro elettromagnetico l'aria potrebbe essere visibile.

Uno dei motivi per cui gli occhi sono diventati sensibili nello spettro "visibile" è che l'aria non assorbe lì. Altrimenti gli occhi sarebbero inutili: non vedresti altro che aria. I nostri occhi possono dirci cosa sta succedendo intorno solo se usano la parte dello spettro in cui l'aria non assorbe.

Un fattore da tenere a mente è che per un materiale a bassa densità con interazioni relativamente deboli con la luce, la massa totale della colonna attraversata dalla luce farà una grande differenza nel colore percepito. Ad esempio, se riempi d'acqua una vasca da bagno bianca, noterai che una colonna d'acqua del rubinetto (o del bicchiere) è trasparente, mentre la colonna della scala dei decimetri sul fondo della vasca è trasparente. distintamente blu.

Puoi vedere lo stesso effetto se guardi una montagna verde o marrone da poche decine di miglia di distanza: i verdi e i marroni sono sbiaditi dal colore blu delle molte tonnellate d'aria che intercorrono.

Perché i liquidi sono invisibili? E perché i gas sono come macchie argentee? (... chiede a una creatura che ha trascorso tutta la vita sott'acqua.)

I gas sono trasparenti, non invisibili. La vita sul fondo di un "oceano d'aria" può dare ad alcuni organismi che respirano aria un punto di vista distorto.

Se passassimo la nostra vita nel vuoto, allora penseremmo che sia l'aria che l'acqua fossero fluidi trasparenti. . Noteremmo che l'aria piega la luce molto meno dell'acqua. In un ambiente sottovuoto, un sacchetto d'aria trasparente si comporterebbe meno come una lente, rispetto a un sacchetto d'acqua trasparente.

Dimostrazione effettiva in classe: procurati un acquario pieno d'acqua. Riempi un palloncino d'acqua. Ora tieni il palloncino immerso nell'acquario e lascia che rilasci l'acqua. Vedi nulla? No. Questo ovviamente dimostra che l'acqua è invisibile. :) E se avessimo un ambiente pieno di gas e poi rilasciassimo il contenuto di un pallone pieno di gas, potremmo provare a noi stessi che il gas è invisibile. No? Siamo pesci aerei, viviamo sul fondo dell'oceano di azoto e siamo fermamente convinti che il gas sia un materiale invisibile.

Ecco un'altra prospettiva: supponiamo che tu sia alto circa 1000 km. Ti pieghi, tieni le mani a coppa e raccogli parte dell'atmosfera terrestre. Sollevalo in alto nel vuoto. Sembra un fumo azzurro traslucido! La pozza d'aria nelle tue mani, profonda KM, rende i palmi delle mani un po 'difficili da vedere. Versalo di nuovo e mentre cade forma un brillante pennacchio azzurro cielo contro l'oscurità dello spazio. Ovviamente l'aria è tutt'altro che invisibile.

Il gas può essere estremamente visibile. Il sole è tutto fatto di gas ed è totalmente trasparente. All'interno del sole le particelle di luce (fotone) viaggiano da pochi centimetri (in profondità) a chilometri (più vicino alla superficie) prima di essere assorbite. Non molto diverso da altre "particelle" del gas locale. Quindi non puoi vedere il sole alla luce (puoi usare le onde acustiche come diagnostica del sottosuolo, ma questa è un'altra storia).

Ciò che chiamiamo "la superficie solare" è lo strato lontano dove il gas diventa abbastanza tenue da diventare trasparente. Là i fotoni scappano come luce solare. Il gas è in realtà molto meno denso dell'aria trasparente intorno a noi perché è costituito da idrogeno quasi puro (rendendolo abbastanza opaco alla luce visibile se sufficienti atomi di idrogeno afferrano un (secondo) elettrone in più, un processo compreso solo negli anni '40 ).

Una piccola frazione della piccolissima frazione che colpisce la terra viene dispersa nella nostra atmosfera; quelli che rimbalzano verso i tuoi occhi compongono il cielo azzurro che vedi. Blu non perché cambiano di energia (colore), solo perché più fotoni si disperdono nel blu che nel rosso, quindi il sole si mostra rosso al tramonto perché più blu è uscito direttamente dal tuo occhio.

La domanda è buona perché la mancanza di trasparenza dei gas ci sembra controintuitiva. Questo è il motivo per cui il "trasferimento radiativo in atmosfere stellari" è un argomento avanzato nei corsi di astrofisica. La luce che esce dalle stelle è la nostra principale diagnostica per capirle, ma interpretare questa luce richiede un buon apprezzamento dell'intransparenza del gas stellare. Google questo argomento e leggi le mie lezioni ...

La visibilità è soggettiva

La visibilità è soggettiva, hai bisogno di un osservatore.

Hai chiesto la storia. Inizia con i nostri primi antenati, che hanno sviluppato sensori sensibili alle radiazioni elettromagnetiche.

Che tipo di sensori e che tipo di radiazioni? Cosa ha fatto la differenza.

All'inizio? Qualunque sia la radiazione disponibile, qualunque cosa sia passata attraverso l'atmosfera con energia sufficiente per raggiungere la superficie della terra.

Quando l'atmosfera cambiava, anche i sensori si adattavano alla radiazione che sarebbe passata.

Nel tempo, quei sensori si sono evoluti in occhi. Come hanno fatto con molte altre specie.

Dovevo solo intervenire qui!

Nell'espansione della tua domanda lo fai

Non sono sicuro di cosa renda invisibili le molecole di gas

Bene, tutte le "molecole" sono invisibili ai nostri occhi, semplicemente non abbiamo il potere risolutivo per vederle, se hai un microscopio a forza atomica puoi vederle in questo modo questo

Tuttavia puoi vedere molti gas in generale come ha mostrato chiaramente @DavePHD!

Se hai ancora intenzione di parlare del fatto che puoi vedere praticamente tutti i solidi o liquidi e non tutti i gas, allora devi dare un'occhiata alle persone che si sbattono contro specchi o bicchieri mentre anche quelli diventano invisibili a noi in varie occasioni.

Mentre praticamente tutti i solidi e i liquidi sono organizzati abbastanza da riflettere almeno la luce, i gas sono troppo dispersi per farlo! L'unica proprietà che consente ai gas di diventare visibili è l'assorbimento o l'emissione di fotoni, se durante l'assorbimento la luce complementare è nel campo visibile possiamo vedere il gas, e se la luce emessa è nel campo visibile possiamo vederlo, altrimenti possiamo semplicemente non con i nostri occhi!

Nell'ultimo paragrafo, non pensare alla nebbia o ad altre cose simili che sembrano gas e dire che quelle riflettono! Ci sono altri fenomeni che giocano lì e inoltre la nebbia non è gas! La riflessione avviene solo dai gas quando sono impuri ed è più di natura colloidale, poiché è nel fumo che le particelle inquinanti lo fanno sembrare nero / grigio / bianco!

C'è una componente biologica nella risposta.In effetti, l'ambiente seleziona gli attributi che aumentano le possibilità che una specie abbia successo nel trasmettere i suoi geni alle generazioni future.Sulla base di ciò, se un senso come la visione si sviluppa in una specie, si evolverà in un modo che massimizza l'utilità di quel senso.Per l'atmosfera terrestre, gli occhi di varie specie sono "sintonizzati" sulle specifiche lunghezze d'onda della luce che non vengono assorbite dall'atmosfera, perché quelle lunghezze d'onda forniscono a quelle specie la maggior parte delle informazioni sul loro ambiente e quindi aumentano la loro possibilità di riprodursi.