Zachowanie cząsteczek gazu: dyfuzja molekularna, średnia droga swobodna i efuzja

Chociaż cząsteczki gazowe poruszają się z ogromną prędkością (setki metrów na sekundę), zderzają się z innymi cząsteczkami gazowymi i przemieszczają się w wielu różnych kierunkach, zanim dotrą do pożądanego celu. W temperaturze pokojowej cząsteczka gazu doświadczy miliardów zderzeń na sekundę. Średnia droga swobodna to średnia odległość, jaką cząsteczka pokonuje między zderzeniami. Średnia droga swobodna wzrasta wraz ze spadkiem ciśnienia; Ogólnie rzecz biorąc, średnia swobodna ścieżka cząsteczki gazowej będzie setki razy większa od średnicy cząsteczki

Ogólnie, gdy próbka gazu jest wprowadzana do jednej części zamkniętego pojemnika, jego cząsteczki bardzo szybko rozpraszają się w całym pojemniku; ten proces, w którym cząsteczki rozpraszają się w przestrzeni w odpowiedzi na różnice stężeń, nazywa się dyfuzją. Gazowe atomy lub cząsteczki nie są oczywiście świadome żadnego gradientu stężeń; Po prostu poruszają się losowo – obszary o wyższym stężeniu mają więcej cząstek niż obszary o niższych stężeniach, a więc następuje ruch netto gatunków z obszarów o wysokim stężeniu do niskiego. W zamkniętym środowisku dyfuzja ostatecznie doprowadzi do równych stężeń gazu w całym budynku. Gazowe atomy i cząsteczki nadal się poruszają, ale ponieważ ich stężenia są takie same w obu bańkach, szybkości przenoszenia między bańkami są równe (nie zachodzi transfer netto cząsteczek). Ilość gazu przepływającego przez pewien obszar w jednostce czasu to szybkość dyfuzji.

Szybkość dyfuzji zależy od kilku czynników: gradientu stężenia (wzrost lub spadek stężenia z jednego punktu do drugiego), ilości powierzchni dostępnej do dyfuzji oraz odległości, jaką muszą przebyć cząstki gazu.

Proces obejmujący ruch związków gazowych podobny do dyfuzji to efuzja, czyli ucieczka cząsteczek gazu przez mały otwór, taki jak dziurka w balonie, do próżni. Chociaż szybkość dyfuzji i efuzji zależy od masy molowej zaangażowanego gazu, ich szybkości nie są równe; Jednak proporcje ich stawek są takie same.

Jeśli mieszanina gazów zostanie umieszczona w pojemniku o porowatych ściankach, gazy wydostają się przez małe otwory w ściankach. Lżejsze gazy przechodzą przez małe otwory szybciej (z większą prędkością) niż cięższy. W 1832 roku Thomas Graham badał tempo wysięku różnych gazów i sformułował prawo wysięku Grahama: Szybkość wysięku gazu jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z masy jego cząstek:

Oznacza to, że jeśli dwa gazy, A i B, mają tę samą temperaturę i ciśnienie, stosunek ich szybkości wylewu jest odwrotnie proporcjonalny do stosunku pierwiastków kwadratowych mas ich cząstek:

Zależność ta wskazuje, że lżejszy gaz ma wyższą szybkość wysięku.

Na przykład balon gumowy wypełniony helem opróżnia się szybciej niż balon wypełniony powietrzem, ponieważ szybkość wysięku przez pory gumy jest większa w przypadku lżejszych atomów helu niż w przypadku cząsteczek powietrza.

Ten tekst jest adaptacją z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 9.4: Efuzja i dyfuzja gazów.