Verhalten von Gasmolekülen: molekulare Diffusion, mittlere freie Weglänge und Effusion

Eine geschlossene Parfümflasche enthält eine hohe Konzentration an gasförmigen aromatischen Molekülen, die sich ständig bewegen und zufällig kollidieren. Währenddessen enthält die Luft außerhalb der Flasche im Wesentlichen keines dieser Moleküle. Beim Öffnen der Flasche wird ein Konzentrationsgradient zwischen diesen hoch-und niedrigkonzentrierten Regionen entstehen.

Die Moleküle setzen ihre zufällige Bewegung fort, mit allgemeinen Richtung von dem konzentrierten Teil in den niedrig konzentrierten Teil. Das spontane Mischen und Ausbreiten von Flüssigkeiten oder Gasen als Reaktion auf einen Konzentrationsgradienten wird molekulare Diffusion genannt. Die Diffusion ist ein langsamer Prozess.

Auch wenn sich Gaspartikeln mit hoher Geschwindigkeit bewegen, verursachen die zahlreichen Kollisionen häufige Veränderungen in Geschwindigkeit und Richtung. Die durchschnittliche Entfernung, die ein Teilchen zwischen Kollisionen zurücklegt, ist als sein mittlerer freier Weg bekannt. Für ein Gasteilchen, wird seine mittlere freie Weglänge durch die Teilchendichte beeinflusst, die sich auch auf den Druck auswirkt.

Wenn die Teilchendichte zunimmt, nimmt auch die Kollisionsfrequenz zu. Daher ist der mittlere freie Weg kürzer. Ebenso gilt, dass mit der Teilchendichte auch die Kollisionsfrequenz abnimmt, was zu einem längerem mittlerem freien Weg führt.

Verschiedene Gase diffundieren mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, abhängig von der Geschwindigkeit der Gasteilchen. Da der Effektivwert die Geschwindigkeit und die Molmasse eines Gases umgekehrt gelten, diffundieren leichtere Gase schneller als schwerere. Betrachten Sie ein Glasrohr zwischen zwei Behältern mit je gleichen Mengen an Ammoniak und Chlorwasserstoffgas.

Wenn sich die diffundierenden Gase treffen, reagieren sie miteinander, um einen Ring aus Ammoniumchlorid zu bilden. Der Ring befindet sich näher bei dem Chlorwasserstoff Behälter, weil die leichteren Ammoniakmoleküle tiefer in das Rohr schweben als die schwereren Wasserstoff-Chloridmoleküle in derselben Zeit. Die Effusion ist ein weiterer Prozess, der die Bewegung von Gasmolekülen beschreibt.

Es ist die Fähigkeit von Gasmolekülen durch eine Röhre mit viel kleinerem Durchmesser als der mittlere freie Weg des Gases zu reisen, dies geschieht als Reaktion auf einen Druckunterschied. Deshalb verlieren Heliumballons irgendwann die Luft, weil das Helium allmählich durch winzige Poren im Ballonmaterial ausströmt. Wie die Diffusion, ist die Effusion abhängig von der RMS-Geschwindigkeit und der molaren Masse des Gases.

Genauer gesagt, die Effusionsrate ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der molaren Masse des Gases. Daher strömen schwerere Gase langsamer aus als leichtere. Für zwei beliebige Gase ist das Verhältnis ihrer Effusionsraten die Quadratwurzel des umgekehrten Verhältnisses ihrer Molaren Massen.

Dies wird als Grahams Gesetz der Effusion bezeichnet. Betrachten Sie zwei mit dem gleichen Druck aufgeblasene Ballons der eine mit Helium und der andere ist mit Sauerstoff gefüllt. Helium hat eine geringere molare Masse als Sauerstoff, wie der Auftrieb des Heliumballons in der Luft zeigt.

Anwendung des Graham'schen Gesetzes auf Helium und Sauerstoff deutet darauf hin, dass Helium 2, 8-mal schneller ausströmt als Sauerstoff. Dadurch entleert sich der Heliumballon schneller als der Sauerstoffballon.