(crédito de la fotografía: Efram Goldberg)
[Nota: la ampolla del extremo izquierdo se enfría a -196 ° C y se cubre con una capa blanca de escarcha .]

$ NO_2 $ es un buen ejemplo de gas colorido. $ N_2O_4 $ (incoloro) existe en equillibrium con $ NO_2 $. A temperaturas más bajas (a la izquierda en la foto de Wikipedia), se favorece $ N_2O_4 $, mientras que a temperaturas más altas se favorece $ NO_2 $.

Para que un gas tenga color, debe haber una transición electrónica correspondiente a la energía de la luz visible.

$ F_2 $ (amarillo pálido), $ Cl_2 $ (verde pálido), $ Br_2 $ (rojizo ) y $ I_2 $ (violeta) son otros ejemplos de gases con color.

Un análisis completo de cuán visible o invisible es un gas consideraría la densidad del gas, la longitud de la trayectoria de la luz, la función de dispersión de Rayleigh del gas y la coeficientes de absorbancia de cualquier transición electrónica disponible para las moléculas de gas o átomos en el rango visible.

En primer lugar, las moléculas de gas no son invisibles. Hay muchos elementos cuyo estado gaseoso es bastante coloreado, pero estos (yodo, por ejemplo) se encuentran en cantidades tan raras en la atmósfera que el efecto neto no es perceptible a simple vista. A continuación, si busca en Google "curvas de transmisión atmosférica", verá todo tipo de absorción espectral, nuevamente a velocidades que normalmente no son detectables por el ojo.

Da la casualidad de que, cuanto más las especies predominantes (nitrógeno, oxígeno, CO2, etc.) no absorben ni reflejan significativamente sobre el espectro visible. Eso es en parte (aunque no del todo, esto se convierte en una pregunta biológica en lugar de física) por qué nuestros ojos ven en el rango que lo hacen.

EDITAR: según la solicitud de @ DavidRicherby agregando: estos gases no absorben porque tienen sin resonancias o espacios de capa de electrones que coincidan, o como todos dicen, porque la sección transversal de absorción que tienen es lo suficientemente pequeña como para que el efecto neto no sea distinguible a nuestros ojos

Como han dicho muchas respuestas; todos los gases no son incoloros, por ejemplo, el gas de cloro es de color amarillo pálido; lo cual es bueno ya que es muy peligroso.

Entonces, los gases en nuestra atmósfera son incoloros. Pero esta es la forma completamente incorrecta de verlo. Si nuestros ojos operaran a frecuencias que estuvieran bloqueadas por gases en la atmósfera, no funcionarían muy bien. Y este es un punto importante porque los gases en nuestra atmósfera no son transparentes en todas las frecuencias. Por ejemplo, este es el espectro de absorción del vapor de agua:

^{reproducido de http: //en.wikipedia .org / wiki / Electromagnetic_absorption_by_water # Atmospheric_effects}

Si nuestros ojos operaran alrededor de 100 nm viviríamos en un mundo muy oscuro, casi toda la luz sería absorbida por la atmósfera. Lo mismo si operaran a 10 micrómetros. Pero nuestros ojos evolucionaron para usar la luz que estaba disponible para ellos; y esa luz estaba entre 400-700 nm; justo en el medio de esa caída en la absorción (obviamente, también necesitaría mirar los espectros de absorción de nitrógeno y oxígeno para obtener una imagen completa).

Entonces, la razón por la que no podemos ver los gases comunes ; porque la evolución optimizó nuestros ojos para trabajar de esa manera. Si hubiéramos evolucionado en una atmósfera compuesta principalmente de cloro gaseoso, apostaría a que todavía estaríamos preguntando "¿Por qué no podemos ver los gases?" y alguien propondría los contraejemplos de cómo eran visibles (en su mundo) los gases raros, el vapor de agua, el oxígeno y el nitrógeno.

Algunos gases son realmente visibles (dióxido de nitrógeno, por ejemplo). El aire es invisible porque sus moléculas no absorben la luz visible. Estas moléculas simplemente no tienen modos de vibración útiles disponibles para absorber estas longitudes de onda, o los electrones en sus orbitales no pueden utilizar las frecuencias de la luz visible para moverse a un orbital superior (las diferencias de energía no se corresponden con la luz visible).

En alguna otra parte del espectro electromagnético, el aire podría ser visible.

Una de las razones por las que los ojos se volvieron sensibles en el espectro "visible" es que el aire no se absorbe allí. De lo contrario, los ojos serían inútiles: no verías nada más que aire. Nuestros ojos pueden decirnos lo que sucede a nuestro alrededor solo si utilizan la parte del espectro donde el aire no absorbe.

Un factor a tener en cuenta es que para un material de baja densidad con interacciones relativamente débiles con la luz, la masa total de la columna por la que pasa la luz marcará una gran diferencia en el color percibido. Por ejemplo, si llena una bañera blanca con agua, notará que una columna de agua a escala de centímetros del grifo (o de su vaso de agua) es transparente, mientras que la columna de escala de decímetros en el fondo de la bañera es transparente. claramente azul.

Puedes ver el mismo efecto si miras una montaña verde o marrón desde unas pocas decenas de millas de distancia: los verdes y marrones se desvanecen por el color azul de las muchas toneladas de aire que intervienen.

¿Por qué los líquidos son invisibles? ¿Y por qué los gases son como gotas plateadas? (... pregunta una criatura que pasó toda su vida bajo el agua).

Los gases son transparentes, no invisibles. La vida en el fondo de un 'océano de aire' puede dar a ciertos organismos que respiran aire un punto de vista distorsionado.

Si pasáramos nuestras vidas en el vacío, pensaríamos que tanto el aire como el agua son fluidos transparentes . Notaríamos que el aire dobla la luz mucho menos que el agua. En un entorno de vacío, una bolsa de aire transparente se comportaría menos como una lente, en comparación con una bolsa de agua transparente.

Demostración real en el aula: llene un acuario de agua. Llena un globo de agua. Ahora sostenga el globo sumergido en el acuario y deje que suelte el agua. ¿Ver cualquier cosa? No Esto, obviamente, prueba que el agua es invisible. :) Y si tuviéramos un ambiente lleno de gas y luego liberamos el contenido de un globo lleno de gas, podríamos probarnos a nosotros mismos que el gas es invisible. ¿No? Somos peces voladores, vivimos en el fondo del océano de nitrógeno y estamos firmemente convencidos de que el gas es un material invisible.

Aquí hay otra perspectiva: supongamos que tienes unos 1000 km de altura. Te agachas, ahuecas las manos y recoges un poco de la atmósfera terrestre. Levántelo en el vacío. ¡Parece humo azul claro translúcido! La piscina de aire de KMs de profundidad en sus manos hace que sus palmas sean un poco difíciles de ver. Viértelo de nuevo y, al caer, forma una pluma azul celeste brillante contra la negrura del espacio. Obviamente, el aire está lejos de ser invisible.

El gas puede ser muy visible. El sol está hecho de gas y es totalmente transparente. Dentro del sol, las partículas de luz (fotones) viajan solo centímetros (en las profundidades) a kilómetros (más cerca de la superficie) antes de ser absorbidas. No es realmente diferente a otras "partículas" del gas local. Por lo tanto, no puede ver el sol a la luz (puede usar ondas acústicas como diagnóstico del subsuelo, pero esa es otra historia).

Lo que llamamos "la superficie solar" es la capa lejana donde el gas se vuelve lo suficientemente tenue como para volverse transparente. Allí los fotones escapan como luz solar. El gas allí en realidad es mucho menos denso que el aire transparente que nos rodea porque está compuesto de hidrógeno casi puro (lo que lo hace bastante opaco a la luz visible si suficientes átomos de hidrógeno capturan un (segundo) electrón adicional, un proceso que solo se entendió en la década de 1940 ).

Una pequeña fracción de la muy pequeña fracción que golpea la Tierra se esparce en nuestra atmósfera; los que rebotan hacia tu ojo forman el cielo azul que ves. Azul, no porque cambien de energía (color), solo porque se dispersan más fotones en el azul que en el rojo, por lo que el sol se muestra rojo al atardecer porque más azul salió del camino directo hacia el ojo.

La pregunta es buena porque la intransparencia de los gases nos parece contraria a la intuición. Es por esto que la "transferencia radiativa en atmósferas estelares" es un tema avanzado en los cursos de astrofísica. La luz que sale de las estrellas es nuestro principal diagnóstico para comprenderlas, pero interpretar esta luz requiere una buena apreciación de la intransparencia del gas estelar. Google este tema y lea mis notas de la conferencia ...

La visibilidad es subjetiva

La visibilidad es subjetiva, necesitas un observador.

Solicitaste la historia. Comienza con nuestros primeros antepasados, que desarrollaron sensores que eran sensibles a la radiación electromagnética.

¿Qué tipo de sensores y qué tipo de radiación? Lo que marcó la diferencia.

¿Al principio? Cualquiera que sea la radiación disponible, cualquier cosa que atraviese la atmósfera con suficiente energía para llegar a la superficie de la tierra.

A medida que la atmósfera cambiaba, los sensores también se adaptaban a la radiación que la atravesaba.

Con el tiempo, esos sensores se convirtieron en ojos. Como hicieron con muchas otras especies.

¡Solo tenía que intervenir aquí!

En la ampliación de su pregunta, pregunta que

No estoy seguro de qué causa que las moléculas de gas sean invisibles

Bueno, todas las "moléculas" son invisibles a nuestros ojos, simplemente no tenemos el poder de resolución para verlas, si tienes un microscopio de fuerza atómica puedes verlas como este

¡Sin embargo, puede ver muchos gases en general como lo ha mostrado @DavePHD!

Si todavía tiene la intención de hablar sobre el hecho de que puede ver prácticamente todos los sólidos o líquidos y no todos los gases, entonces debe echar un vistazo a las personas que se golpean en espejos o anteojos, ya que también se vuelven invisibles. a nosotros en varias ocasiones.

Si bien casi todos los sólidos y líquidos están lo suficientemente organizados para al menos reflejar la luz, los gases están demasiado dispersos para hacer eso. La única propiedad que permite que los gases se hagan visibles es la absorción o emisión de fotones, si durante la absorción la luz complementaria está en rango visible podemos ver el gas, y si la luz emitida está en rango visible podemos verlo, de lo contrario simplemente podemos ¡No con nuestros ojos!

En el último párrafo, ¡no pienses en la niebla u otras cosas que parecen gases y digas que esos reflejan! Hay otros fenómenos que juegan allí y, además, ¡la niebla no es gas! La reflexión solo tiene lugar a partir de los gases cuando es impuro y es más de naturaleza coloidal, ya que es en el humo donde las partículas contaminantes hacen que parezca negro / gris / blanco.

Hay un componente biológico en la respuesta.En efecto, el medio ambiente selecciona los atributos que aumentan las posibilidades de que una especie tenga éxito en transmitir sus genes a las generaciones futuras.Con base en esto, si un sentido como la visión se desarrolla en una especie, evolucionará de una manera que maximice la utilidad de ese sentido.Para la atmósfera terrestre, los ojos de varias especies están "sintonizados" con las longitudes de onda específicas de la luz que no son absorbidas por la atmósfera, porque esas longitudes de onda brindan a esas especies la mayor cantidad de información sobre su entorno y, por lo tanto, aumentan sus posibilidades de reproducirse.