الانصباب والانتشار

على الرغم من أن الجزيئات الغازية تنتقل بسرعات هائلة (مئات الأمتار في الثانية)، فإنها تصطدم بجزيئات غازية أخرى وتسير في اتجاهات مختلفة قبل الوصول إلى الهدف المطلوب. وفي درجة حرارة الغرفة، سيتعرض الجزيء الغازي لمليارات التصادمات في الثانية. متوسط المسار الحر هو متوسط المسافة التي يقطعها الجزيء بين التصادمات. يزداد متوسط المسار الحر مع انخفاض الضغط؛ وبشكل عام، يكون متوسط المسار الحر للجزيء الغازي مئات المرات من قطر الجزيء

بشكل عام، عندما يتم إدخال عينة من الغاز في جزء واحد من حاوية مغلقة، فإن جزيئاتها تنتشر بسرعة كبيرة في جميع أنحاء الحاوية؛ وهذه العملية التي تفرق بها الجزيئات في الفضاء استجابة للاختلافات في التركيز تسمى الانتشار. لا شك أن الذرات أو الجزيئات الغازية غير مدركة لأي تدرج في ااتركيز؛ فهي ببساطة تتحرك بشكل عشوائي— وتحتوي المناطق ذات التركيز الأعلى على جزيئات أكثر من المناطق ذات التركيز الأقل، وبالتالي فإن الحركة الصافية للأنواع من المناطق عالية التركيز إلى منخفضة التركيز تحدث. في بيئة مغلقة، سيؤدي الانتشار في نهاية المطاف إلى تركيزات متساوية من الغاز في كل مكان. تستمر الذرات الغازية والجزيئات في الحركة، ولكن بما أن تركبزاتها هي نفسها في كلا البصيلتين، فإن معدلات الانتقال بين البصيلات متساوية (لاnet يحدث نقل صافي للجزيئات). إن كمية الغاز التي تمر عبر منطقة ما في كل وحدة زمنية هي معدل الانتشار.

يعتمد معدل الانتشار على عدة عوامل: تدرج التركيز (الزيادة أو النقصان في التركيز من نقطة إلى أخرى)، ومقدار مساحة السطح المتاحة للانتشار، والمسافة التي يجب أن تقطعها جزيئات الغاز.

تتمثّل إحدى العمليات التي تنطوي على حركة الأنواع الغازية المشابهة للانتشار في الانصباب، وهي هروب جزيئات الغاز من خلال ثقب صغير، مثل ثقب في بالون إلى الفراغ. وعلى الرغم من أن معدلات الانتشار والانصباب تعتمد على الكتلة المولية للغاز المعني، فإن معدلاتها ليست متساوية؛ ولكن مع ذلك، فإن نسب معدلاتها متماثلة.

إذا تم وضع خليط من الغازات في حاوية بها جدران مسامية، فإن الغازات تنبعث من خلال الفتحات الصغيرة الموجودة في الجدران. تمر الغازات الأخف وزناً عبر الفتحات الصغيرة بسرعة أكبر (بمعدل أعلى) من تلك التي تمر بها الفتحات الأثقل وزنًا. في عام 1832، درس توماس جراهام معدلات انصباب الغازات المختلفة وصاغ قانون جراهام للانصباب: يتناسب معدل انصباب الغاز عكسياً مع الجذر التربيعي لكتلة جزيئاته:

هذا يعني أنه في حالة وجود غازين، A و B، بنفس درجة الحرارة والضغط، فإن نسبة معدلات الانصباب الخاصة بهما تتناسب عكسياً مع نسبة الجذور التربيعية لكتل جسيماتهما:

تشير العلاقة إلى أن الغاز الأخف لديه معدل أعلى من الانصباب.

على سبيل المثال، ينكمش بالون مطاطي مملوء بالهليوم بسرعة أكبر من بالون مملوء بالهواء لأن معدل الانصباب عبر مسام المطاط أسرع بالنسبة لذرات الهليوم التي هي أخف من من جزيئات الهواء.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 9.4: Effusion and Diffusion of Gases.