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

Zamknięta butelka perfum zawiera wysokie stężenie gazowych cząsteczek aromatycznych, które stale się poruszają i losowo kolidują. Tymczasem powietrze na zewnątrz butelki nie zawiera w zasadzie żadnej z tych cząsteczek.

Po otwarciu butelki ustala się gradient stężeń między tymi obszarami o wysokim i niskim stężeniu. Cząsteczki nadal poruszają się losowo, z ogólnym ruchem z obszaru o wysokim stężeniu do obszaru o niskim stężeniu. 

Spontaniczne mieszanie i rozprzestrzenianie się cieczy lub gazów w odpowiedzi na gradient stężeń nazywa się dyfuzją molekularną.

Dyfuzja jest procesem powolnym. Mimo że cząsteczki gazu poruszają się z dużą prędkością, liczne zderzenia powodują częste zmiany prędkości i kierunku. 

Średnia odległość, jaką cząstka pokonuje między zderzeniami, jest znana jako jej średnia droga swobodna. W przypadku cząstki gazu na jej średnią swobodną drogę ma wpływ gęstość cząstek, która również wpływa na ciśnienie. 

Wraz ze wzrostem gęstości cząstek wzrasta częstotliwość zderzeń. W związku z tym ich średnia swobodna ścieżka jest krótsza. Podobnie, wraz ze spadkiem gęstości cząstek, zmniejsza się również częstotliwość zderzeń, co prowadzi do wydłużenia średniej ścieżki swobodnej. 

Różne gazy dyfundują z różną szybkością, w zależności od prędkości cząstek gazu. Ponieważ średnia kwadratowa (RMS) prędkość i masa molowa gazu są odwrotnie powiązane, lżejsze gazy dyfundują szybciej niż cięższe gazy.

Rozważ szklaną rurkę między zbiornikami równych ilości amoniaku i gazowego chlorowodoru. 

Kiedy dyfundujące gazy spotykają się, reagują, tworząc pierścień chlorku amonu. Pierścień znajduje się bliżej końca rurki z chlorowodorem, ponieważ lżejsze cząsteczki amoniaku przemieszczały się dalej w dół rurki niż cięższe cząsteczki chlorowodoru w tym samym czasie.  

Efuzja to kolejny proces, który polega na ruchu cząsteczek gazu. Jest to zdolność cząsteczek gazu do przemieszczania się przez otwór, którego średnica jest znacznie mniejsza niż średnia swobodna ścieżka samego gazu w odpowiedzi na różnicę ciśnień.  

To dlatego balony z helem w końcu opróżniają się - hel stopniowo wydostaje się przez maleńkie pory w materiale balonu.

Podobnie jak dyfuzja, szybkość wysięku zależy od prędkości RMS i masy molowej gazu. W szczególności szybkość wysięku jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z masy molowej gazu. Dlatego cięższe gazy ulatniają się wolniej niż lżejsze.

Dla dowolnych dwóch gazów stosunek ich szybkości wysięku jest pierwiastkiem kwadratowym z odwrotnego stosunku ich mas molowych. Nazywa się to prawem wysięku Grahama. 

Wyobraźmy sobie dwa balony napompowane do tego samego ciśnienia – jeden wypełniony helem, a drugi tlenem. Hel ma mniejszą masę molową niż tlen, o czym świadczy wyporność balonu z helem w powietrzu.

Zastosowanie prawa Grahama do helu i tlenu sugeruje, że hel ulatnia się 2,8 razy szybciej niż tlen. W ten sposób balon z helem opróżnia się szybciej niż balon tlenowy.