какие знания нужно применить, чтобы наполнить сосуд газом путём вытеснения воздуха?

Несомненно - знание физики! Если газ легче воздуха (плотность его меньше, чем у воздуха) , он стремится подняться вверх, тяжелее - опустится вниз.
Соответственно - сосуд нужно перевернуть кверху дном, если заполняешь более лёгким газом, чем воздух. Во втором случае - нормальное положение сосуда.

Химия - какой газ тяжелее воздуха (молярная масса 29)
таких газов немало, например:

Хлор 71
Криптон 84
Ксенон 131
Радон 222

Оксиды:
СО2 44
SO2 64
NO2 46

Углеводороды
Бутан (С4Н10) 58

Гидриды
Арсин (AsH3) 78
Стибин (SbH3) 124
Селеноводород (H2Se) 81
Tеллуроводород (H2Te) 130