Comportamento delle molecole di gas: diffusione molecolare, cammino libero medio ed effusione

Una bottiglia di profumo chiusa contiene un'alta concentrazione di molecole aromatiche gassose, che si muovono costantemente e si scontrano casualmente. Nel frattempo, l'aria all'esterno della bottiglia non contiene essenzialmente nessuna di queste molecole. All'apertura della bottiglia, viene stabilito un gradiente di concentrazione tra queste regioni ad alta e bassa concentrazione.

Le molecole continuano a muoversi in modo casuale, con un movimento diretto dalla regione ad alta concentrazione a quella a bassa concentrazione. La miscelazione e la diffusione spontanea di liquidi o gas in risposta ad un gradiente di concentrazione è detta diffusione molecolare. La diffusione è un processo lento.

Anche se le particelle di gas viaggiano ad alta velocità, le numerose collisioni causano frequenti cambiamenti di velocità e di direzione. La distanza media percorsa da una particella tra le collisioni è indicata come percorso libero medio. Per una particella di gas, il percorso libero medio è influenzato dalla densità delle particelle, che influenza anche la pressione.

Con l'aumentare della densità delle particelle, aumenta la frequenza di collisione, pertanto, il loro percorso libero medio è più breve. Allo stesso modo, quando la densità delle particelle diminuisce, così fa la frequenza di collisione, portando ad un percorso libero medio più lungo. Gas diversi si diffondono a velocità diverse, a seconda della velocità delle particelle di gas.

Poiché la velocità quadratica media, o RMS, e la massa molare di un gas sono inversamente correlate, i gas più leggeri si diffondono più velocemente dei gas più pesanti. Si consideri un tubo di vetro fra i serbatoi di uguali quantità di ammoniaca e acido cloridrico gassoso. Quando i gas diffondenti si incontrano, reagiscono formando un anello di cloruro di ammonio.

L'anello è più vicino all'estremità di acido cloridrico del tubo, poichè le molecole di ammoniaca più leggere hanno viaggiato più lontano lungo il tubo rispetto alle molecole di acido cloridrico più pesanti nella stessa quantità di tempo. L'effusione è un altro processo che coinvolge il movimento delle molecole di gas. È la capacità delle molecole di gas di viaggiare attraverso un foro il cui diametro è molto più piccolo del percorso libero medio del gas stesso, in risposta ad una differenza di pressione.

Questo è il motivo per cui i palloncini di elio alla fine si sgonfiano:l'elio si riversa gradualmente attraverso minuscoli pori nel materiale del palloncino. Come la diffusione, la velocità di effusione dipende dalla velocità RMS e dalla massa molare del gas. Nel dettaglio, la velocità di effusione è inversamente proporzionale alla radice quadrata della massa molare del gas.

Pertanto, i gas più pesanti si riversano più lentamente di quelli più leggeri. Per due gas qualsiasi, il rapporto delle velocità di effusione è la radice quadrata del rapporto inverso delle loro masse molari. Questa è chiamata legge dell'effusione di Graham.

Considerate due palloncini gonfiati alla stessa pressione:uno pieno di elio, l'altro di ossigeno. L'elio ha una massa molare inferiore all'ossigeno, come mostrato dalla galleggiabilità del palloncino di elio in aria. L'applicazione della legge di Graham all'elio e all'ossigeno suggerisce che l'elio fuoriesce 2, 8 volte più velocemente dell'ossigeno.

Pertanto, il palloncino di elio si sgonfia più velocemente del palloncino di ossigeno.