Back to chapter

5.9:

Efusão e Difusão

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

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.

5.9:

Efusão e Difusão

Embora moléculas gasosas viajem a velocidades tremendas (centenas de metros por segundo), elas colidem com outras moléculas gasosas e viajam em muitas direções diferentes antes de alcançar o alvo desejado. À temperatura ambiente, uma molécula gasosa experimentará mil milhões de colisões por segundo. O caminho livre médio é a distância média que uma molécula percorre entre colisões. O caminho livre médio aumenta com a diminuição da pressão; no geral, o caminho livre médio para uma molécula gasosa será centenas de vezes o diâmetro da molécula

No geral, quando uma amostra de gás é introduzida em uma parte de um recipiente fechado, as suas moléculas dispersam-se muito rapidamente por todo o recipiente; este processo pelo qual as moléculas se dispersam no espaço em resposta às diferenças de concentração é chamado de difusão. Os átomos ou moléculas gasosos são, naturalmente, inconscientes de qualquer gradiente de concentração; eles simplesmente movem-se aleatoriamente — zonas de maior concentração têm mais partículas do que zonas de menor concentração, e ocorre então um movimento líquido de espécies de zonas de alta para baixa concentração. Em um ambiente fechado, a difusão acabará por resultar em concentrações iguais de gás por todo o lado. Os átomos e as moléculas gasosos continuam a mover-se, mas como as suas concentrações são as mesmas, as taxas de transferência são iguais (não ocorre transferência líquida de moléculas). A quantidade de gás que passa por uma área por unidade de tempo é a taxa de difusão.

Eq1

A taxa de difusão depende de vários factores: o gradiente de concentração (o aumento ou diminuição da concentração de um ponto para outro), a quantidade de área de superfície disponível para difusão, e a distância que as partículas de gás devem percorrer.

Um processo que envolve o movimento de espécies gasosas semelhante à difusão é a efusão, a fuga de moléculas de gás através de um pequeno buraco, como um furo em um balão em um vácuo. Embora as taxas de difusão e efusão dependam da massa molar do gás envolvido, as suas taxas não são iguais; no entanto, as relações das suas taxas são as mesmas.

Se uma mistura de gases for colocada em um recipiente com paredes porosas, os gases são libertados através das pequenas aberturas nas paredes. Os gases mais leves passam pelas pequenas aberturas mais rapidamente (a uma taxa mais alta) do que os mais pesados. Em 1832, Thomas Graham estudou as taxas de efusão de diferentes gases e formulou a lei de efusão de Graham: A taxa de efusão de um gás é inversamente proporcional à raiz quadrada da massa das suas partículas:

Eq2

Isto significa que, se dois gases, A e B, estiverem à mesma temperatura e pressão, a razão das suas taxas de efusão é inversamente proporcional à razão das raízes quadradas das massas das suas partículas:

Eq3

A relação indica que o gás mais leve tem uma maior taxa de efusão.

Por exemplo, um balão de borracha cheio de hélio esvazia mais rapidamente do que um balão cheio de ar, porque a taxa de efusão através dos poros da borracha é mais rápida para os átomos de hélio mais leves do que para as moléculas de ar.

Este texto é adaptado de Openstax, Chemistry 2e, Section 9.4: Effusion and Diffusion of Gases.