Back to chapter

5.9:

الانصباب والانتشار

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Behavior of Gas Molecules: Molecular Diffusion, Mean Free Path, and Effusion

Languages

Share

تحتوي زجاجة العطر المغلقة على تركيز عالٍمن الجزيئات العطرية الغازية،و التي تتحرك باستمرار وتتصادم بشكل عشوائي. في هذه الأثناء،الهواء خارج الزجاجة لا يحتوي بشكل أساسي على أي من هذه الجزيئات. عند فتح الزجاجة،يحدث تدرج للتركيز بين مناطق التركيزات العالية والمنخفضة.تستمر الجزيئات في التحرك بشكل عشوائي،مع الحركة الكلية من منطقة التركيز العالي إلى منطقة التركيز المنخفض. الاختلاط والانتشار التلقائي للسوائل أو الغازات،بسبب تدرج التركيز،يسمى الانتشار الجزيئي. والانتشار عملية بطيئة.وعلى الرغم من أن جزيئات الغاز تنتقل بسرعات عالية،تسبب الاصطدامات العديدة تغييرات متكررة في السرعة والاتجاه. متوسط المسافة التي يقطعها الجسيم بين الاصطدامات يُعرف باسم المسار الحر المتوسط. بالنسبة لجسيم الغاز،فإنّمساره الحر يتأثر بكثافة الجسيمات،والتي نؤثر أيضًا على الضغط.فمع زيادة كثافة الجسيمات،يزداد تردد الاصطدام. وبالتالي،فإن المسار الحر المتوسط يصبح أقصر. وبالمثل،مع انخفاض كثافة الجسيمات،يقل تردد الاصطدام،مما يؤدي إلى مسار حر متوسط أطول.تنتشر الغازات المختلفة بمعدلات مختلفة،حسب سرعة جزيئات الغاز. بماأنّجذر متوسط التربيع،أو RMS،السرعة والكتلة المولية للغازات ذات صلة عكسيا،فإنّالغازات الأخف تنتشر أسرع من الغازات الثقيلة. لنضع في الإعتبار أنبوب زجاجي يمر بين حافظات تحتوي على كميات متساوية من غاز الأمونيا وكلوريد الهيدروجين.عندما تلتقي الغازات المنتشرة،تتفاعل لتشكيل حلقة من كلوريد الأمونيوم. الحلقة أقرب إلى نهاية أنبوب كلوريد الهيدروجين،لأن جزيئات الأمونيا الأخف سافرت إلى أسفل الأنبوب أبعد من جزيئات كلوريد الهيدروجين الأثقل في نفس الوقت. التدفق هو عملية أخرى تتضمن حركة جزيئات الغاز.إنها قدرة جزيئات الغاز على السفر عبر ثقب قطره أصغر بكثير من متوسط المسار الحر للغاز نفسه،استجابةًلاختلاف الضغط. لهذا السبب تنكمش بالونات الهيليوم ففي النهاية يتدفق الهيليوم تدريجياًعبر المسام الصغيرة من مادة البالون. مثل الانتشار،فإنّمعدل التدفق يعتمد على سرعة RMS والكتلة المولية للغاز.على وجه التحديد،معدل التدفق يتناسب عكسيًا مع الجذر التربيعي للكتلة المولية للغاز. لذلك،تعمل الغازات الثقيلة بشكل أبطأ من الغازات الأخف. بالنسبة لأي غازين،نسبة معدلات تدفقهم هي الجذر التربيعي للنسبة العكسية لكتلهم الجزيئية.هذا يسمى قانون جراهام للتدفق. لنفكر في بالونين منفوخين بنفس الضغط واحد مليء بالهيليوم والآخر بالأكسجين. للهيليوم كتلة جزيئية أقل من الأكسجين،وبهذا فإن بالون الهيليوم يطفو في الهواء.بتطبيق قانون جراهام علي الهيليوم و الاكسجين،يقترح ان الهيليوم 2.8 مرة اسرع من الاكسجين،و بالتالي،يفرغ بالون الهيليوم اسرع من بالون الاكسجين.

5.9:

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.

Eq1

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:

Eq2

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:

Eq3

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.