5.9: Efusión y Difusión

Aunque las moléculas gaseosas viajan a velocidades tremendas (cientos de metros por segundo), chocan con otras moléculas gaseosas y viajan en muchas direcciones diferentes antes de alcanzar el objetivo deseado. A temperatura ambiente, una molécula gaseosa experimentará miles de millones de colisiones por segundo. El camino libre medio es la distancia media que una molécula viaja entre colisiones. El camino libre medio aumenta al disminuir la presión; generalmente, el camino libre medio para una molécula gaseosa será cientos de veces el diámetro de la molécula

En general, cuando se introduce una muestra de gas en una parte de un recipiente cerrado, sus moléculas se dispersan muy rápidamente por todo el recipiente; este proceso por el cual las moléculas se dispersan en el espacio en respuesta a las diferencias de concentración se llama difusión. Los átomos o moléculas gaseosas, por supuesto, no tienen conocimiento de ningún gradiente de concentración; simplemente se mueven al azar: Las regiones de mayor concentración tienen más partículas que las regiones de menor concentración, por lo que se produce un movimiento neto de especies de zonas de alta a baja concentración. En un entorno cerrado, la difusión dará lugar en última instancia a concentraciones iguales de gas en todo el espacio. Los átomos y moléculas gaseosas continúan moviéndose, pero como sus concentraciones son las mismas en ambos bulbos, las tasas de transferencia entre los bulbos son iguales (no ocurre transferencia neta de moléculas). La cantidad de gas que pasa a través de algún área por unidad de tiempo es la velocidad de difusión.

La velocidad de difusión depende de varios factores: El gradiente de concentración (aumento o disminución de la concentración de un punto a otro), la cantidad de superficie disponible para la difusión y la distancia que deben recorrer las partículas de gas.

Un proceso que involucra el movimiento de especies gaseosas similar a la difusión es la efusión, el escape de moléculas de gas a través de un agujero diminuto, como un agujero en un globo al vacío. Aunque las tasas de difusión y de efusión dependen de la masa molar del gas involucrado, sus tasas no son iguales; sin embargo, las proporciones de sus tasas son las mismas.

Si se coloca una mezcla de gases en un recipiente con paredes porosas, los gases se liberan a través de las pequeñas aberturas de las paredes. Los gases más ligeros pasan a través de las pequeñas aberturas más rápidamente (a una velocidad más alta) que aquellos más pesados. En 1832, Thomas Graham estudió las tasas de efusión de diferentes gases y formuló la ley de efusión de Graham: La tasa de efusión de un gas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la masa de sus partículas:

Esto significa que si dos gases, A y B, están a la misma temperatura y presión, la relación de sus tasas de efusión es inversamente proporcional a la relación de las raíces cuadradas de las masas de sus partículas:

La relación indica que el gas más ligero tiene una tasa de efusión más alta.

Por ejemplo, un globo de caucho lleno de helio se desinfla más rápido que un globo lleno de aire porque la tasa de efusión a través de los poros del caucho es más rápida para los átomos de helio más ligeros que para las moléculas de aire.

Este texto ha sido adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 9.4: Efusión y Difusión de Gases.

Una botella cerrada de perfume contiene una alta concentración de moléculas gaseosas aromáticas que están en movimiento y colisionando de forma aleatoria constantemente. Mientras tanto, el aire que está fuera de la botella básicamente no contiene ninguna de estas moléculas. Al abrir la botella, se establece un gradiente de concentración entre estas áreas de alta y baja concentración.

Las moléculas siguen moviéndose de forma aleatoria y con un desplazamiento general desde el área de alta concentración hacia el área de baja concentración. La mezcla y dispersión espontáneas de líquidos o gases en respuesta a un gradiente de concentración se llama difusión molecular. La difusión es un proceso lento.

A pesar de que las partículas de gas viajan a altas velocidades, las numerosas colisiones ocasionan cambios frecuentes en la velocidad y la dirección. La distancia promedio que recorre una partícula entre colisiones se conoce como camino libre medio. En el caso de una partícula de gas, el camino libre medio se ve influenciado por la densidad de la partícula, la cual también afecta la presión.

A medida que la densidad de la partícula aumenta, la frecuencia de colisión también lo hace. Por consiguiente, su camino libre medio es más corto. Del mismo modo, a medida que la densidad de la partícula disminuye, la frecuencia de colisión también lo hace, lo que resulta en un camino libre medio más largo.

Distintos gases se dispersan a ritmos diferentes, dependiendo de la velocidad de las partículas de gas. Dado que la media cuadrática de la velocidad, o velocidad RMS, y la masa molar de un gas están en relación inversa, los gases más ligeros se dispersan más rápido que los gases pesados. Imaginen un tubo de vidrio en medio de dos depósitos con las mismas cantidades de amoníaco y de cloruro de hidrógeno.

Cuando los gases se dispersan se encuentran, reaccionan y forman un anillo de cloruro de amonio. El anillo estará más cerca del extremo del tubo con cloruro de hidrógeno porque las moléculas más ligeras de amoníaco habrán viajado más lejos en el tubo que las moléculas más pesadas de cloruro de hidrógeno en la misma cantidad de tiempo. La efusión es otro proceso que involucra movimiento por parte de las moléculas gaseosas.

Es la habilidad que tienen las moléculas gaseosas para viajar a través de un agujero cuyo diámetro es mucho más pequeño que el camino libre medio del gas en sí como respuesta a una diferencia de presión. Es por esto que los globos de helio en algún punto se desinflan. El helio se escapa por efusión gradualmente a través de poros diminutos presentes en el material del globo.

Al igual que la difusión, el ritmo de efusión depende de la velocidad media cuadrática y la masa molar del gas. En concreto, el ritmo de efusión es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la masa molar del gas. Por lo tanto, los gases pesados se escapan por efusión más lento que los ligeros.

En dos gases cualesquiera, la proporción de sus ritmos de efusión es igual a la raíz cuadrada de la relación inversa de sus masas molares. Esto se llama ley de efusión de Graham. Imaginen dos balones inflados a la misma presión, uno con helio y otro con oxígeno.

El helio tiene una masa molar menor que la del oxígeno, como se demuestra con la flotabilidad del globo de helio. Al aplicarles la ley de Graham al helio y al oxígeno, se obtiene que el helio se escapa por efusión 2, 8 veces más rápido que el oxígeno. Por consiguiente, el globo de helio se desinfla más rápido que el globo de oxígeno.