Efusão e Difusão

Um frasco fechado de perfume contém uma alta concentração de moléculas aromáticas gasosas que estão constantemente em movimento e em colisão aleatória. Entretanto, o ar fora da garrafa não contém essencialmente nenhuma destas moléculas. Ao abrir a garrafa, é estabelecido um gradiente de concentração entre estas áreas de alta e baixa concentração.

As moléculas continuam a mover-se de forma aleatória, com movimento global a partir da área de alta concentração para a área de baixa concentração. A mistura e espalhamento espontâneos de líquidos ou gases em resposta a um gradiente de concentração é denominada de difusão molecular. A difusão é um processo lento.

Mesmo que as partículas de gás se movam a alta velocidade, as numerosas colisões causam alterações frequentes em termos de velocidade e direção. A distância média que uma partícula percorre entre colisões é denominada como o seu caminho livre médio. Para uma partícula de gás, o seu caminho livre médio é influenciado pela densidade das partículas, que também afetam a pressão.

À medida que a densidade das partículas aumenta, o mesmo acontece com a frequência da colisão. Assim, o seu caminho livre médio é mais curto. Da mesma forma, à medida que a densidade das partículas diminui, o mesmo acontece com a frequência da colisão, dando origem a um caminho livre mais longo e médio.

Os diferentes gases difundem-se a ritmos diferentes, em função da velocidade das partículas de gás. Uma vez que a raiz-quadrada-média, ou RMS, a velocidade e a massa molar de um gás estão inversamente relacionados, os gases mais leves difundem-se mais rapidamente do que os gases mais pesados. Consideremos um tubo de vidro entre reservatórios de quantidades iguais de amoníaco e de gás de cloreto de hidrogênio.

Quando os gases difusores se encontram, eles reagem e formam um anel de cloreto de amónio. O anel está mais próximo da extremidade do tudo do cloreto de hidrogênio porque as moléculas de amoníaco mais leves moveram-se mais longe pelo tubo do que as moléculas de cloreto de hidrogênio mais pesadas no mesmo período de tempo. A efusão é outro processo que envolve o movimento das moléculas de gás.

É a capacidade das moléculas de gás para se movimentarem através de um buraco cujo diâmetro é muito menor do que o caminho livre médio do próprio gás em resposta a uma diferença de pressão. É por isso que os balões de hélio acabam por esvaziar. o hélio escapa gradualmente através dos poros minúsculos no material do balão.

Tal como a difusão, a taxa de efusão está dependente da velocidade RMS e da massa molar do gás. Especificamente, a taxa de efusão é inversamente proporcional à raiz quadrada da massa molar do gás. Portanto, os gases mais pesados escapam mais lentamente do que os mais leves.

Para quaisquer dois gases, a relação das suas taxas de efusão é a raiz quadrada da razão inversa das suas massas molares. A isto chama-se a lei de Graham sobre a efusão. Consideremos dois balões cheios à mesma pressão.

um cheio com hélio e o outro com oxigênio. O hélio tem uma massa molar inferior ao oxigênio, como mostra a flutuabilidade do balão de hélio no ar. A aplicação da lei de Graham ao hélio e ao oxigênio sugere que o efluxo de hélio é 2, 8 vezes mais rápido do que o do oxigênio.

Assim, o balão de hélio esvazia mais rapidamente do que o balão de oxigênio.