5.9: 분출과 확산

기체 분자는 엄청난 속도(초당 수백 미터)로 이동하지만, 다른 기체 분자와 충돌하여 원하는 목표에 도달하기 전에 여러 방향으로 이동합니다. 실온에서 기체 분자는 초당 수십억 개의 충돌을 경험하게 됩니다. 평균 자유 경로는 분자가 충돌 사이에 이동하는 평균 거리입니다. 평균 무료 경로는 압력 감소와 함께 증가; 일반적으로, 기체 분자에 대한 평균 자유 경로는 분자의 직경의 수백 배가 될 것입니다

일반적으로, 가스 샘플이 밀폐 된 용기의 한 부분에 도입될 때, 그 분자는 매우 빠르게 용기 전체에 분산; 분자가 농도의 차이에 대응하여 공간에서 분산되는 이 과정은 확산이라고 합니다. 기체 원자 또는 분자는, 당연히, 어떤 농도 그라데이션을 인식하지 못합니다; 그들은 단순히 무작위로 이동 - 높은 농도의 영역은 낮은 농도의 영역보다 더 많은 입자를 가지고, 그래서 높은 농도 지역에서 낮은 농도 영역으로 종의 그물 이동이 일어난다. 폐쇄된 환경에서 확산은 궁극적으로 전체적으로 동일한 농도의 가스를 발생시합니다. 기체 원자와 분자는 계속 움직이지만, 두 전구 모두에서 농도가 동일하기 때문에 전구 사이의 전달 속도는 동일합니다 (분자의 순 전달은 발생하지 않습니다). 단위 시간당 일부 영역을 통과하는 가스의 양은 확산의 속도입니다.

확산 속도는 농도 그라데이션(한 지점에서 다른 지점으로 농도의 증가 또는 감소), 확산에 사용할 수 있는 표면적의 양 및 가스 입자가 이동해야 하는 거리 등 여러 가지 요인에 따라 달라집니다.

확산과 유사한 기체 종의 이동을 포함하는 과정은 유출, 진공으로 풍선에 핀홀과 같은 작은 구멍을 통해 가스 분자의 탈출이다. 확산 및 삼혈 속도 모두 관련된 가스의 어금니 질량에 의존하지만, 그들의 속도는 동일하지 않습니다; 그러나, 그들의 비율의 비율은 동일합니다.

다공성 벽이 있는 용기에 가스가 혼합되어 있으면 가스가 벽의 작은 구멍을 통해 흘러들어오게 됩니다. 가벼운 가스는 무거운 개구부보다 더 빠르게(더 높은 속도로) 작은 구멍을 통과합니다. 1832년, 토마스 그레이엄은 다른 가스의 포혈 비율을 연구하고 그레이엄의 포혈 법칙을 공식화했습니다: 가스의 유출 속도는 입자 덩어리의 제곱근에 반비례합니다.

즉, 두 개의 가스인 A와 B가 동일한 온도와 압력에 있는 경우, 그들의 유출 속도의 비율은 입자질량의 제곱 뿌리의 비율에 반비례한다는 것을 의미합니다.

관계는 가벼운 가스가 더 높은 유출 속도를 가지고 있음을 나타냅니다.

예를 들어, 헬륨으로 채워진 고무 풍선은 고무의 모공을 통한 포혈 속도가 공기 분자보다 더 가벼운 헬륨 원자에 대해 더 빠르기 때문에 공기가 채워진 것보다 빠르게 수축됩니다.

이 텍스트는 Openstax, 화학 2e, 섹션 9.4: 유혈 및 가스 확산에서 채택됩니다.

밀폐된 향수병에는 끊임없이 운동하고 무작위로 충돌하는 기체상태의 방향성 분자가 고농도로 함유되어 있습니다. 한편 병 밖의 공기에는 근본적으로 이러한 분자가 전혀 포함되어 있지 않습니다. 병을 열면 이러한 고농도 및 저농도 영역 사이에 농도 구배가 생깁니다.

분자는 계속 무작위로 운동하면서 고농도 영역에서 저농도 영역으로 이동하게 됩니다. 농도 구배에 따라 액체나 기체가 자연적으로 혼합되고 퍼지는 현상을 분자 확산이라고 합니다. 확산은 느린 과정입니다.

기체 입자가 빠른 속도로 이동하더라도 수많은 충돌로 인해 속도와 방향이 자주 변경됩니다. 충돌 간 입자가 이동하는 평균 거리를 평균 자유 이동 경로라고 합니다. 기체 입자의 경우 평균 자유 이동 경로는 입자 밀도의 영향을 받으며 따라서 압력에도 영향을 미칩니다.

입자 밀도가 증가함에 따라 충돌 빈도도 증가합니다. 따라서 평균 자유 이동 경로가 더 짧아집니다. 마찬가지로 입자 밀도가 감소하면 충돌 빈도도 감소하여 자유 이동 경로가 길어집니다.

서로 다른 기체는 기체 입자의 속도에 따라 서로 다른 속도로 확산됩니다. 기체의 제곱근 평균 제곱 속도 및 몰질량은 반비례 관계에 있으므로 가벼운 기체는 무거운 기체보다 더 빨리 확산됩니다. 동일한 양의 암모니아 기체와 염화수소 기체 저장고 사이에 있는 유리관을 생각해 봅시다.

확산되는 기체들이 서로 부딪치면 반응하여 염화암모늄 고리를 형성합니다. 이 고리는 관의 염화수소 저장고에 더 가까이 놓이는 데 동일한 시간에 무거운 염화수소 분자보다 가벼운 암모니아 분자가 관 안에서 더 많이 이동했기 때문입니다. 분출은 기체 분자의 이동을 수반하는 또 다른 과정입니다.

이것은 기체 분자가 압력 차이에 반응하여 기체 자체의 평균 자유 이동 경로보다 지름이 훨씬 작은 구멍을 통해 이동하는 능력입니다. 이것이 헬륨 풍선이 결국 수축되는 이유입니다. 헬륨은 풍선 물질의 미세한 구멍을 통해 점차 분출됩니다.

확산과 마찬가지로 분출 속도는 기체의 제곱근 평균 제곱 속도와 몰 질량에 따라 달라집니다. 구체적으로 보면 분출 속도는 기체의 몰 질량의 제곱근에 반비례합니다. 그러므로 무거운 기체는 가벼운 기체보다 더 천천히 분출됩니다.

어떤 두 종류의 기체에 대해 분출 속도의 비율은 몰 질량의 역비의 제곱근입니다. 이것을 그레이엄의 법칙이라고 합니다. 같은 압력으로 팽창된 두 개의 풍선을 생각해 보세요.

하나는 헬륨을 채웠고 다른 하나는 산소를 채웠습니다. 공기 중에 있는 헬륨 풍선의 부력으로 볼 수 있듯이 헬륨은 산소보다 몰 질량이 낮습니다. 그레이엄의 법칙을 헬륨과 산소에 적용하면 헬륨이 산소보다 2.8배 더 빨리 유출된다는 것을 알 수 있습니다.

따라서 헬륨 풍선은 산소 풍선보다 더 빨리 수축됩니다.