5.9: 拡散と流出

気体分子は非常に高速（毎秒数百メートル）で移動するが、他の気体分子と衝突し、目的のターゲットに到達する前にさまざまな方向に移動します。 室温では、気体分子は毎秒数十億の衝突を経験します。 平均自由行程とは、分子が衝突の間に移動する平均距離です。 平均自由行程は圧力が低いほど長くなり、一般に、気体分子の平均自由行程は分子の直径の数百倍になります。

一般的に、気体試料が密閉容器の一部に導入されると、その分子は非常に素早く容器全体に分散します。このような濃度の違いに応じて分子が空間内で分散する過程を拡散と呼びます。 もちろん、気体の原子や分子は濃度勾配を認識しません。単にランダムに移動するだけで、濃度の高い領域は濃度の低い領域よりも粒子が多いため、高濃度から低濃度領域への正味の移動が発生します。 密閉された環境では、拡散によって最終的に気体の濃度が均等になります。 気体原子と分子は移動し続けますが、両方のバルブの濃度が同じであるため、バルブ間の移動速度は等しくなります（分子の正味の移動はない）。 単位時間あたりに一部の領域を通過する気体の量が、拡散率です。

拡散率は、濃度勾配（ある地点から別の地点への濃度の増減）、拡散可能な表面積の量、および気体粒子が移動する必要がある距離など、いくつかの要因に依存します。

拡散と同じように気体が移動する過程として、気体分子が小さな穴（バルーンのピンホールなど）を通って真空に放出される「流出」があります。 拡散と流出の速度は、どちらも関与する気体のモル質量に依存するが、その速度は等しくありません。ただし、その速度の比率は同じです。

浸透性の壁を持つ容器に気体の混合物を入れると、気体は壁の小さな開口部を通って排出されていきます。 軽い気体は、重い気体よりも（高い速度で）小さな開口部をより速く通過します。 1832 年、トーマス・グラハムはさまざまな気体の流出率を調査し、グレアムの流出法則を制定しました。ガスの流出率は、その粒子の質量の平方根に反比例します。

これは、 2 つの気体 A と B が同じ温度と圧力である場合、その流出率の比は、粒子の質量の平方根の比に反比例することを意味します。

この関係性はより軽い気体がより高い流出率を有すことを示します。

例えば、ヘリウム充填されたゴム製バルーンは、空気が充填されたバルーンよりも速く収縮します。これは、ゴムの孔を通る流出の発生率が、空気分子よりも軽いヘリウム原子の方が速いためです。

この文章は 、 Openstax 、 Chemistry 2e 、 Section 9.4 ： effusion and Diffusion of gases に基づいています。

香水の閉じたボトルには 常に移動し ランダムに衝突している ガス状の芳香族分子が 高濃度で含まれています 一方 ボトルの外の空気には これらの分子は ほとんど含まれていません ボトルを開くと これらの高濃度と 低濃度の領域の間に 濃度勾配が 確立されます 分子はランダムに動き続け 全体としては 高濃度領域から 低濃度領域へと移動します 濃度勾配に反応して 液体や気体が 自然に混合したり 広がったりすることを 分子拡散といいます 拡散はゆっくりとした プロセスです 気体の粒子が 高速で移動していても 多数の衝突により 速度と方向が 頻繁に変化します 粒子が衝突の間に 移動する平均距離は その平均自由行程として 知られています 気体粒子の平均自由行程は 粒子密度の影響を受け 圧力にも影響されます 粒子密度が高くなると 衝突頻度も高くなります そのため 平均自由行程は 短くなります 同様に 粒子密度が低下すると 衝突頻度も低下し 平均自由行程は長くなります 異なるガスは ガス粒子によって 異なる速度で拡散します 二乗平均平方根速度（RMS）と 気体のモル質量は 反比例関係にあるので 軽い気体は 重い気体よりも速く拡散します 同量のアンモニアガスと 塩化水素ガスの 間にあるガラス管を 考えてみましょう 拡散する気体が出会うと 反応して 塩化アンモニウムの リングを形成します 同じ時間内に 軽い アンモニア分子は 重い塩化水素分子よりも 管の中を 遠くまで移動したため リングは 塩化水素の端に近くなります 噴出は 気体分子の移動を伴う 別のプロセスです これは 圧力差に反応して ガス分子がガスの 平均自由行程よりも はるかに小さい直径の穴を 通過する能力のことです これが ヘリウム風船が 最終的に収縮する理由です ヘリウムが風船の 材料の小さな気孔から 徐々に噴出していきます 拡散と同様に 噴出の速度は ガスのRMS速度と モル質量に依存します 具体的には 噴出速度は ガスのモル質量の 平方根に反比例します したがって重いガスは軽い ガスよりもゆっくりと噴出します どのような2つの気体でも その噴出速度の比は その気体の モル質量の逆比の 平方根になります これをグラハムの法則と呼びます 同じ圧力に膨らませた 2つの風船を考えてみましょう ヘリウムで満たされたものと 酸素で満たされたものです ヘリウムバルーンの空気中の 浮力によって示されるように ヘリウムは酸素よりも 低いモル質量を持っています グラハムの法則を ヘリウムと酸素に適用すると ヘリウムは酸素の2.8倍の 速さで噴出することになります したがって ヘリウム気球は 酸素気球よりも 早く収縮します