Tabla de Contenidos
Difuzia și revărsarea sunt două procese înrudite care ne permit să înțelegem comportamentul gazelor și al materiei în general la nivel molecular. Efuzia este guvernată destul de exact de legea lui Graham, dar permite și o descriere adecvată (deși aproximativă) a procesului de difuzie, oferind un model care explică de ce unele gaze difuzează mai rapid decât altele.
Ce este difuzia?
Difuzia este mișcarea particulelor prin spațiu urmând gradientul lor de concentrație . Adică, este vorba despre deplasarea oricărui tip de particule, fie el un gaz sau o substanță dizolvată în soluție, dintr-o regiune în care concentrația este mai mare în alta în care concentrația este mai mică. Difuzia este un proces de mare importanță în multe contexte științifice, inclusiv în chimie, fizică și biologie.
Ce este efuzia?
Efuziunea este procesul prin care un gaz trece dintr-un compartiment sau recipient în altul printr-o gaură sau orificiu mic . Pentru ca procesul să fie considerat o revărsare, diametrul găurii trebuie să fie considerabil mai mic decât calea liberă medie a particulei de gaz. Această cale medie se referă la distanța medie pe care o poate parcurge o particulă în linie dreaptă fără a se ciocni cu o altă particulă în condiții date de temperatură și presiune.
Efuziunea este procesul prin care, de exemplu, un balon umplut cu heliu se dezumflă spontan în timp, sau prin care o băutură răcoritoare etanșată își pierde aproape tot dioxidul de carbon după câțiva ani, în ciuda faptului că este sigilată „ermetic”.
Legea efuziunii lui Graham
Fizicianul scoțian Thomas Graham a studiat procesul de revărsare în 1846 și a determinat experimental că viteza de revărsare a oricărui gaz este invers proporțională cu rădăcina pătrată a masei particulelor sale. Aceasta poate fi exprimată astfel:
Unde r reprezintă viteza de revărsare printr-o gaură sau un poru mic și MM corespunde masei molare a gazului (litera r reprezintă rata în engleză, care se numește rate ). Această lege a proporționalității a devenit cunoscută drept legea lui Graham sau ecuația efuziunii, deși este adesea numită și legea lui Graham sau ecuația difuziei, deoarece se aplică și acestui fenomen.
Viteza de efuziune ( r) indică numărul de particule care trec prin por sau orificiu pe unitatea de timp. În cazul revărsării printr-o suprafață poroasă, în care există milioane de pori minusculi, viteza de revărsare se poate referi la numărul total de particule (sau masa de gaz) care trec prin suprafața poroasă pe unitate de suprafață și pe unitate de suprafață. unitate de timp. În contextul difuziei, r indică viteza de difuzie și reprezintă cantitatea de gaz care difuzează pe unitatea de suprafață și pe unitatea de timp.
Raportul ratelor de efuziune sau difuzie a două gaze
Formula lui Graham poate fi, de asemenea, exprimată într-un mod diferit pentru a raporta ratele de efuziune a două gaze diferite în aceleași condiții. Acest lucru face posibilă compararea, de exemplu, care dintre cele două gaze scapă mai repede atunci când ambele sunt conținute în același recipient cu o suprafață poroasă. În acest caz, legea lui Graham este scrisă astfel:
Ceea ce indică această ecuație este că, între două gaze care se află în aceleași condiții, cel cu particulele mai ușoare va scăpa mai repede. În plus, raportul ratelor de efuziune variază în funcție de rădăcina pătrată a maselor particulelor. Adică, dacă un gaz este de 4 ori mai greu decât altul, atunci va difuza la jumătate din ritm.
Explicația legii lui Graham de difuzie și efuziune
Legea lui Graham este o lege empirică care a fost stabilită inițial pe baza observațiilor experimentale. Cu alte cuvinte, expresia matematică leagă viteza de efuziune cu masa particulelor. Cu toate acestea, dezvoltarea teoriei cinetice a gazelor ne-a permis să înțelegem originea formulei lui Graham, adică acest model explică de ce gazele (ideale) respectă ecuația menționată.
Folosind un model de sfere dure în care gazele se ciocnesc doar prin ciocniri elastice, s-a determinat că viteza de efuziune depinde de viteza de mișcare a particulelor, iar aceasta, la rândul ei, este invers proporțională cu rădăcina pătrată a masei sale.
Aplicații ale Legii lui Graham de difuzie și efuziune
Îmbogățirea izotopilor de gaz
Legea lui Graham are două domenii de aplicare foarte importante. Pe de o parte, a permis dezvoltarea unor sisteme de îmbogățire sau purificare bazate exclusiv pe greutatea moleculară a gazelor. La trecerea unui amestec de gaze printr-o coloană cu pereți poroși, toate gazele din amestec vor avea tendința de a scăpa prin pori, dar particulele mai ușoare o vor face mai repede decât cele mai grele, astfel încât amestecul de gaze care iese va fi mai bogat în aceste particule de lumină.
Acesta este principiul de funcționare al sistemului de îmbogățire cu uraniu-235 care a fost folosit în Proiectul Manhattan pentru fabricarea primei bombe atomice. Pentru a fi utilizabil în bombă, uraniul-235 trebuie să fie îmbogățit la o concentrație mult mai mare decât cea de 0,7% pe care o conține uraniul natural.
Pentru purificarea acestui izotop, tot uraniul dintr-o probă este transformat în compusul volatil hexafluorură de uraniu (UF6 ) , care este vaporizat și amestecul gazos este trecut printr-o cascadă de coloane poroase. Deoarece 235 UF 6 este mai ușor decât 238 UF 6 , primul difuzează mai repede decât cel din urmă (urmând legea lui Graham) și amestecul ajunge să se îmbogățească ușor cu uraniu-235 după fiecare trecere printr-o coloană.
Determinarea greutăților moleculare
O altă aplicație a ecuației lui Graham este în determinarea experimentală a greutăților sau maselor moleculare. Dacă avem un amestec dintr-un gaz cunoscut și unul necunoscut și îl trecem printr-o coloană poroasă, amestecul rezultat se va îmbogăți în gaz mai ușor. Această îmbogățire este determinată de raportul dintre ratele de efuziune ale celor două gaze. Deoarece formula lui Graham leagă aceste rate de raportul dintre masele molare, cunoașterea masei molare a unuia dintre ele poate folosi ecuația lui Graham pentru a calcula masa molară a gazului necunoscut.
Exemple de calcule cu legea lui Graham de difuzie și efuziune
îmbogățirea uraniului.
Afirmație:
Știind că masa atomică relativă a uraniului -235 este 235,04 și cea a uraniului – 238 este 238,05 și că masa atomică medie a fluorului este 18,998, determinați relația dintre ratele de efuziune de 235 UF6 și 238 UF6 .
Soluţie:
Deoarece determinăm relația dintre două rate de efuziune, vom folosi ecuația lui Graham. Pentru a face acest lucru, trebuie mai întâi să calculăm masele molare ale ambelor gaze.
Folosind aceste valori, putem determina relația dintre ratele de efuziune:
Acest rezultat indică faptul că de fiecare dată când un amestec din aceste două gaze este trecut printr-o coloană poroasă, amestecul de gaz rezultat (cel care iese prin pori) va conține o concentrație relativă de 1,0043 de ori mai mare decât era înainte.
Determinarea masei molare a unui gaz necunoscut.
Afirmație:
Să presupunem că avem un amestec echimolar de două gaze. Unul este dioxid de carbon (MM=44 g/mol) iar celălalt este un gaz necunoscut (MM=?). Dacă dioxidul de carbon difuzează de 3 ori mai repede decât gazul necunoscut, determinați masa molară a gazului necunoscut.
Soluţie:
În acest caz, cunoaștem relația dintre cele două viteze de efuziune, deoarece spunând că dioxidul de carbon difuzează de 3 ori mai repede, ceea ce se înțelege este că rata de difuzie (sau efuziune) sa este:
Acum, aplicând legea lui Graham, putem determina masa molară a gazului necunoscut:
Rezolvând această ecuație, obținem:
Prin urmare, masa molară a gazului necunoscut este de 76,21 g/mol.
Referințe
Academia de Internet. (2018, 3 septembrie). Legea lui Graham, Legea difuziei gazelor [Video]. Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=Fd-a35TPfs0
Atkins, P. și dePaula, J. (2010). Atkins. Chimie fizică ( ed . a 8-a). Editorial Medical Panamerican.
Difuzia . (22 martie 2021). BYJUS. https://byjus.com/biology/diffusion/
Legile lui Graham ale difuziei și efuziunii . (1 septembrie 2020). https://chem.libretexts.org/@go/page/41411
Învățare Lumen. (nd). 8.4: Efuzia și difuzia gazelor | Colegiul General de Chimie I. Cursuri Lumenlearning. https://courses.lumenlearning.com/suny-mcc-chemistryformajors-1/chapter/effusion-and-diffusion-of-gases/
Legea lui Graham | Efuzia și difuzia gazelor . Chimie-organică. Disponibil la https://www.quimica-organica.com/ley-de-graham/ .
