5.9: Эффузия и диффузия

Несмотря на то, что молекулы газа путешествуют с огромной скоростью (сотни метров в секунду), они сталкиваются с другими молекулами газа и проходят в разных направлениях, прежде чем достичь нужной цели. При комнатной температуре молекула газа будет испытывать миллиарды столкновений в секунду. Средний свободный путь — это среднее расстояние, которое молекула проходит между столкновениями. Средний свободный путь увеличивается с уменьшением давления; в целом, средний свободный путь для молекулы газа будет в сотни раз больше диаметра молекулы

В целом, когда проба газа вводится в одну часть закрытого контейнера, ее молекулы очень быстро рассеиваются по всему контейнеру; этот процесс, посредством которого молекулы рассеиваются в пространстве в ответ на различия в концентрации называется диффузией. Газовые атомы или молекулы, конечно, не руководствуются градиентом концентрации; они просто перемещаются случайным образом — области с более высокой концентрацией имеют больше частиц, чем области с более низкой концентрацией, поэтому происходит чистое движение видов из зон с высокой концентрацией в зоны с низкой концентрацией. В закрытой среде диффузия в конечном итоге приведет к равномерной концентрации газа на всем протяжении. Газообразные атомы и молекулы продолжают двигаться, но поскольку их концентрации одинаковы в обеих лампах, скорости передачи между лампами равны (чистая передача молекул не происходит). Количество газа, проходящего через определенную площадь за единицу времени, является скоростью диффузии.

Скорость диффузии зависит от нескольких факторов: Градиента концентрации (увеличение или уменьшение концентрации с одной точки на другую), площади поверхности, доступной для диффузии, и расстояния, которое должны пройти частицы газа.

Процесс, связанный с движением газовых частиц, как при диффузии, представляет собой эффузию, утечку молекул газа через маленькую дыру, например, через отверстие в баллоне в вакуум. Несмотря на то, что коэффициенты диффузии и эффузии зависят от молярной массы используемого газа, их скорость не одинакова, однако, коэффициенты их расхода одинаковы.

Если смесь газов помещается в контейнер с пористыми стенками, газы выходят через небольшие отверстия в стенах. Более легкие газы проходят через небольшие отверстия быстрее (с большей скоростью), чем более тяжелые. В 1832 году Томас Грэм изучил скорости эффузии различных газов и сформулировал закон Грэма об эффузии: Скорость эффузии газа обратно пропорциональна квадратному корню массы его частиц:

Это означает, что если два газа, А и В, находятся при одинаковой температуре и давлении, отношение их скорости эффузии обратно пропорционально отношению квадратных корней масс их частиц:

Это соотношение указывает на то, что более легкий газ имеет более высокую скорость эффузии.

Например, заполненный гелием резиновый баллон сдувается быстрее, чем заполненный воздухом, потому что скорость выдувания через поры резины быстрее для более легких атомов гелия, чем для молекул воздуха.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 9.4: Эффузия и диффузия газов.

В закрытом флаконе духов содержится высокая концентрация газообразных ароматических молекул, которые постоянно движутся и беспорядочно сталкиваются. Между тем, воздух за пределами флакона практически не содержит этих молекул. При открытии флакона устанавливается градиент концентрации между областями высокой и низкой концентрации.

Молекулы продолжают беспорядочно перемещаться, из области высокой концентрации в область низкой концентрации. Самопроизвольное перемешивание и распространение жидкостей или газов в ответ на градиент концентрации называется молекулярной диффузией. Диффузия медленный процесс.

Несмотря на то, что частицы газа движутся с высокой скоростью, многочисленные столкновения вызывают частые изменения скорости и направления. Среднее расстояние, которое проходит частица между столкновениями, известно как длина свободного пробега. Для частицы газа на длину свободного пробега влияет плотность частиц, которая также влияет на давление.

По мере увеличения плотности частиц увеличивается и частота столкновений. Таким образом, их длина свободного пробега уменьшается. Точно так же с уменьшением плотности частиц уменьшается частота столкновений, что приводит к увеличению длины свободного пробега.

Различные газы смешиваются с разной скоростью в зависимости от скорости частиц газа. Так как среднеквадратичная скорость и молярная масса газа обратно пропорциональны, более легкие газы смешиваются быстрее, чем более тяжелые. Рассмотрим стеклянную трубку, расположенную между резервуарами с равным количеством аммиака и хлороводорода.

Когда смешиваемые газы встречаются, они вступают в реакцию и образуют кольцо хлорида аммония. Кольцо расположено ближе к концу трубки с хлористым водородом, потому что более легкие молекулы аммиака прошли дальше по трубке, чем более тяжелые молекулы хлористого водорода, за то же время. Эффузия это еще один процесс, в котором происходит движение молекул газа.

Это способность молекул газа проходить через отверстие, диаметр которого намного меньше, чем длина свободного пробега самого газа, в ответ на перепад давления. Вот почему гелиевые шары в конечном итоге сдуваются гелий постепенно истекает через крошечные поры в материале шара. Скорость истечения, как и диффузия, зависит от среднеквадратичной скорости и молярной массы газа.

В частности, скорость истечения обратно пропорциональна квадратному корню из молярной массы газа. Следовательно, более тяжелые газы истекают медленнее, чем более легкие. Для любых двух газов отношение скоростей истечения является квадратным корнем из обратного отношения их молярных масс.

Это называется законом эффузии Грэма. Рассмотрим два воздушных шара, наполненных до достижения одинакового давления:один наполнен гелием, а другой кислородом. Гелий имеет более низкую молярную массу, чем кислород, о чем свидетельствует плавучесть гелиевого шара в воздухе.

Применение закона Грэма к гелию и кислороду предполагает, что гелий истекает в 2, 8 раза быстрее, чем кислород. Таким образом, шар с гелием сдувается быстрее, чем шар с кислородом.