La matière existe sous trois formes physiques classiques : gazeuse, liquide ou solide. La plupart des gaz sont incolores, mais certains, comme le chlore, présentent une couleur bien distincte. Si l'éloignement des molécules constitue le facteur principal expliquant qu'un gaz paraisse incolore, plusieurs autres caractéristiques peuvent également contribuer à l'absence de couleur d'un gaz donné.
La séparation des particules
Les gaz incolores contiennent des particules séparées par de grandes distances. La couleur de tout objet — solide, liquide ou gazeux — dépend de la capacité de sa surface à interagir avec le rayonnement électromagnétique de la lumière. Un objet prend la couleur du rayonnement qui parvient à s'échapper de sa surface.
Dans le cas des gaz incolores, les particules peuvent être si éloignées les unes des autres que même celles capables de réfléchir une couleur apparaissent incolores à l'œil humain. À l'inverse, les particules des liquides et des solides sont beaucoup plus étroitement liées, ce qui leur permet de réfléchir ou d'absorber des quantités plus importantes de lumière.
Une émission d'énergie limitée
Selon Steven et Susan Zumdahl dans leur ouvrage « Chemistry », les gaz peuvent produire de la couleur lorsqu'ils contiennent un élément libérant de l'énergie avec « un spectre d'émission coloré ». Le spectre de la lumière visible s'étend d'environ 400 nm (rouge) à 700 nm (violet).
Les gaz incolores ne possèdent pas d'élément ou de molécule non excité dont l'émission d'énergie correspond à cette plage. Certains gaz incolores émettent de la lumière en dehors de cette gamme, tandis que d'autres n'émettent aucune énergie dans les conditions standards. De plus, certains gaz incolores peuvent acquérir une couleur lorsqu'on leur apporte de l'énergie. Par exemple, le néon est un gaz incolore dans des conditions normales, mais soumis à une source d'énergie, il émet une vive lumière rouge orangée.
La taille des molécules
Les molécules des gaz incolores tendent à être plus petites que celles des gaz présentant une couleur discernable. leurs liaisons sont également plus faibles et moins nombreuses. Cette petite taille, combinée à la nature de ses liaisons constitutives, limite la capacité de la molécule à absorber ou à réfléchir la lumière.
La densité
Les gaz incolores présentent généralement des densités inférieures à celles des gaz colorés. Zumdahl et Zumdahl définissent la densité comme « la masse d'une substance par unité de volume de cette substance ». Le dioxygène est un gaz incolore dont la densité est de 1,429 g/l. L'ozone, quant à lui, est un gaz bleu clair avec une densité de 2,144 g/l. Ces deux gaz sont composés de molécules d'oxygène, mais la densité supérieure de l'ozone contribue à sa couleur clairement perceptible.
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