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5.9: 渗出和扩散
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Chemistry

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5.9: 渗出和扩散

尽管气态分子以极高的速度(每秒数百米)行进,但它们与其它气态分子碰撞并在到达所需目标之前沿许多不同方向行进。在室温下,气态分子每秒将经历数十亿次碰撞。平均自由程是分子在碰撞之间传播的平均距离。平均自由程随着压力的降低而增加;通常,气态分子的平均自由程将是分子直径的数百倍

通常,当将气体样本引入密闭容器的一部分时,其分子会非常迅速地分散到整个容器中。分子响应浓度差异而在空间中扩散的过程称为扩散。气态原子或分子当然不知道任何浓度梯度。它们只是随意移动—高浓度区域的粒子比低浓度区域的粒子更多,因此物种从高浓度区域到低浓度区域发生了净移动。在封闭的环境中,扩散最终将导致整个气体中浓度相等。气态原子和分子继续移动,但是由于两个球皿中它们的浓度相同,所以球皿之间的传输速率是相等的(没有发生分子的 net 传输)。每单位时间通过某个区域的气体量就是扩散率。

Eq1

扩散速率取决于几个因素:浓度梯度(浓度从一个点到另一个点的增加或减少),可用于扩散的表面积的数量以及气体粒子必须行进的距离。 类似于扩散的涉及气态物质运动的过程是渗出,即气体分子通过微小孔(例如气球中的针孔)逃逸到真空中。尽管扩散和渗出速率均取决于所涉及气体的摩尔质量,但它们的速率并不相等。但是,它们的比率之比是相同的。

如果将气体混合物放入具有多孔壁的容器中,则气体会通过壁上的小孔流出。较轻的气体比较重的气体通过小孔的速度更快(速率更高)。 1832年,托马斯·格雷姆(Thomas Graham)研究了不同气体的渗出速率,并制定了格雷姆渗流定律:气体的渗出速率与粒子质量的平方根成反比:

Eq2

这意味着,如果两种气体(A和B)处于相同的温度和压力下,则它们的喷射速率之比与它们的粒子质量的平方根之比成反比:

Eq3

该关系表明,较轻的气体具有较高的渗出率。

例如,充氦的橡胶气球的充气速度比充气气球的快,这是因为较轻的氦原子比通过空气分子通过橡胶孔的渗出速度更快。

此文本改编自“> Openstax,化学2e,第9.4节:气体的渗出和扩散。

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