Gedrag van gasmoleculen: moleculaire diffusie, gemiddeld vrij pad en effusie

Een gesloten flesje parfum bevat een hoge concentratie gasvormige aromatische moleculen die constant in beweging zijn en willekeurig botsen. Ondertussen bevat de lucht buiten de fles in wezen geen van deze moleculen. Bij het openen van de fles wordt een concentratiegradiënt ingesteld tussen deze hoge en lage concentratie-gebieden.

De moleculen blijven willekeurig bewegen, met algemene beweging van het gebied met hoge concentratie naar het gebied met lage concentratie. Het spontaan mengen en verspreiden van vloeistoffen of gassen in reactie op een concentratiegradiënt wordt moleculaire diffusie genoemd. Diffusie is een langzaam proces.

Hoewel gasdeeltjes zich met hoge snelheden verplaatsen, veroorzaken de talrijke botsingen frequente veranderingen in snelheid en richting. De gemiddelde afstand die een deeltje aflegt tussen botsingen staat bekend als het gemiddelde vrije weglengte. Voor een gasdeeltje wordt zijn gemiddelde vrije weglengte beïnvloed door de deeltjesdichtheid, die ook de druk beïnvloedt.

Naarmate de deeltjesdichtheid toeneemt, neemt ook de botsingsfrequentie toe. Hun gemiddelde vrije weglengte is dus korter. Evenzo, naarmate de deeltjesdichtheid afneemt, neemt ook de botsingsfrequentie toe, wat leidt tot een langer gemiddeld vrije weglengte.

Verschillende gassen verspreiden zich met verschillende snelheden, afhankelijk van de snelheid van de gasdeeltjes. Omdat kwadratisch gemiddelde, of RMS, snelheid en de molaire massa van een gas omgekeerd evenredig zijn, verspreiden lichtere gassen zich sneller dan zwaardere gassen. Denk aan een glazen buis tussen reservoirs met gelijke hoeveelheden ammoniak en waterstofchloridegas.

Wanneer de diffunderende gassen elkaar ontmoeten, reageren ze om een ring van ammoniumchloride te vormen. De ring bevindt zich dichter bij het waterstofchloride-uiteinde van de buis omdat de lichtere ammoniakmoleculen in dezelfde tijd verder door de buis gingen dan de zwaardere waterstofchloridemoleculen. Effusie is een ander proces waarbij gasmoleculen worden verplaatst.

Het is het vermogen van gasmoleculen om door een gat te verplaatsen waarvan de diameter veel kleiner is dan het gemiddelde vrije pad van het gas zelf als reactie op een drukverschil. Dit is de reden waarom heliumballonnen uiteindelijk leeglopen het helium stroomt geleidelijk door kleine poriën in het ballonmateriaal. Net als diffusie is de effusiesnelheid afhankelijk van de RMS snelheid en de molaire massa van het gas.

In het bijzonder is de uitstroomsnelheid omgekeerd evenredig met de wortel van de molaire massa van het gas. Daarom spreiden zwaardere gassen langzamer uit dan lichtere. Voor twee gassen is de verhouding van hun effusiesnelheden de wortel van de omgekeerde ratio van hun molaire massa.

Dit wordt Graham's wet van effusie genoemd. Denk aan twee ballonnen die tot dezelfde druk zijn opgeblazen de ene gevuld met helium en de andere met zuurstof. Helium heeft een lagere molaire massa dan zuurstof, zoals blijkt uit de opwaartse kracht van de heliumballon in lucht.

Het toepassen van de wet van Graham op helium en zuurstof suggereert dat helium 2, 8 keer sneller uitstroomt dan zuurstof. De heliumballon loopt dus sneller leeg dan de zuurstofballon.