Tabla de Contenidos
Difüzyon ve efüzyon, genel olarak gazların ve maddenin davranışını moleküler düzeyde anlamamızı sağlayan birbiriyle ilişkili iki süreçtir. Efüzyon, tam olarak Graham yasası tarafından yönetilir, ancak aynı zamanda, bazı gazların neden diğerlerinden daha hızlı yayıldığını açıklayan bir model sağlayarak, difüzyon sürecinin yeterli (yaklaşık olsa da) bir açıklamasına izin verir.
difüzyon nedir?
Difüzyon, parçacıkların konsantrasyon gradyanlarını izleyerek uzayda hareketidir . Başka bir deyişle, herhangi bir tür parçacığın, ister gaz ister çözeltide çözünen olsun, konsantrasyonunun daha yüksek olduğu bir bölgeden konsantrasyonunun daha düşük olduğu başka bir bölgeye yer değiştirmesiyle ilgilidir. Difüzyon, kimya, fizik ve biyoloji dahil olmak üzere birçok bilimsel bağlamda büyük önem taşıyan bir süreçtir.
efüzyon nedir?
Efüzyon, bir gazın bir bölmeden veya kaptan diğerine küçük bir delik veya delikten geçmesi işlemidir . İşlemin taşma olarak kabul edilmesi için, deliğin çapının gaz parçacığının ortalama serbest yolundan oldukça küçük olması gerekir. Bu ortalama yol, bir parçacığın belirli sıcaklık ve basınç koşulları altında başka bir parçacıkla çarpışmadan düz bir çizgide kat edebileceği ortalama mesafeyi ifade eder.
Efüzyon, örneğin helyumla doldurulmuş bir balonun zamanla kendiliğinden sönmesi veya sızdırmaz bir meşrubat içeceğinin, “hermetik olarak” kapatılmış olmasına rağmen birkaç yıl sonra karbondioksitinin neredeyse tamamını kaybetmesi işlemidir.
Graham’ın efüzyon yasası
İskoç fizikçi Thomas Graham, 1846’da efüzyon sürecini inceledi ve deneysel olarak herhangi bir gazın efüzyon hızının, parçacıklarının kütlesinin karekökü ile ters orantılı olduğunu belirledi. Bu şu şekilde ifade edilebilir:
Burada r, küçük bir delik veya gözenekten efüzyon oranını temsil eder ve MM , gazın molar kütlesine karşılık gelir ( r harfi, oran olarak adlandırılan İngilizce’de oran anlamına gelir ). Bu orantılılık yasası, Graham yasası veya efüzyon denklemi olarak bilinmeye başlandı, ancak aynı zamanda bu fenomen için de geçerli olduğu için genellikle Graham yasası veya difüzyon denklemi olarak anılır.
Efüzyon hızı ( r ), birim zamanda gözenek veya delikten geçen partikül sayısını gösterir. Milyonlarca küçük gözenek bulunan gözenekli bir yüzeyden efüzyon durumunda, efüzyon hızı, birim alan ve birim alan başına gözenekli yüzeyden geçen parçacıkların (veya gaz kütlesinin) toplam sayısını ifade edebilir. zaman birimi. Difüzyon bağlamında r , difüzyon hızını gösterir ve birim alan ve birim zamanda yayılan gaz miktarını temsil eder.
İki gazın efüzyon veya difüzyon hızlarının oranı
Graham’ın formülü, aynı koşullar altında iki farklı gazın efüzyon hızlarını ilişkilendirmek için farklı bir şekilde de ifade edilebilir. Bu, örneğin, her ikisi de gözenekli bir yüzeye sahip aynı kapta bulunduğunda iki gazdan hangisinin daha hızlı kaçtığını karşılaştırmayı mümkün kılar. Bu durumda Graham yasası şu şekilde yazılır:
Bu denklemin gösterdiği şey, aynı koşullardaki iki gaz arasında, daha hafif tanecikli olanın daha hızlı kaçacağıdır. Ayrıca, efüzyon oranlarının oranı parçacıkların kütlelerinin karekökünün bir fonksiyonu olarak değişir. Yani, bir gaz diğerinden 4 kat daha ağırsa, o zaman yarı hızda yayılır.
Graham’ın difüzyon ve efüzyon yasasının açıklaması
Graham yasası, başlangıçta deneysel gözlemlere dayalı olarak oluşturulmuş ampirik bir yasadır. Diğer bir deyişle, efüzyon hızını parçacıkların kütlesi ile ilişkilendiren matematiksel ifadedir. Bununla birlikte, gazların kinetik teorisinin gelişimi, Graham’ın formülünün kökenini anlamamıza izin verdi, yani bu model, (ideal) gazların neden söz konusu denklemle uyumlu olduğunu açıklıyor.
Gazların yalnızca elastik çarpışmalarla çarpıştığı bir sert küre modeli kullanılarak, efüzyon hızının parçacıkların hareket hızına bağlı olduğu ve bunun da kütlesinin karekökü ile ters orantılı olduğu belirlendi.
Graham’ın Difüzyon ve Efüzyon Yasasının Uygulamaları
Gaz izotop zenginleştirme
Graham yasasının çok önemli iki uygulama alanı vardır. Bir yandan, yalnızca gazların moleküler ağırlığına dayanan zenginleştirme veya saflaştırma sistemlerinin geliştirilmesine izin verdi . Bir gaz karışımını gözenekli duvarları olan bir kolondan geçirirken, karışımdaki tüm gazlar gözeneklerden kaçma eğiliminde olacaktır, ancak daha hafif parçacıklar bunu daha ağır olanlardan daha hızlı yapacaktır, bu nedenle kaçan gaz karışımı daha zengin olacaktır. bu hafif parçacıklar
Manhattan Projesi’nde ilk atom bombasının yapımında kullanılan uranyum-235 zenginleştirme sisteminin çalışma prensibi budur. Uranyum-235’in bombada kullanılabilmesi için, doğal uranyumun içerdiği %0,7’den çok daha yüksek bir konsantrasyona kadar zenginleştirilmesi gerekiyor.
Bu izotopu saflaştırmak için, bir numunedeki tüm uranyum , buharlaştırılan ve gaz halindeki karışım bir dizi gözenekli kolondan geçirilen uçucu bileşik uranyum hekzaflorüre (UF 6 ) dönüştürülür . 235 UF6 , 238 UF6’dan daha hafif olduğu için , birincisi ikincisinden daha hızlı yayılır (Graham yasasına göre) ve karışım, bir kolondan her geçişten sonra uranyum-235 ile biraz zenginleşir .
Moleküler ağırlıkların belirlenmesi
Graham denkleminin başka bir uygulaması, moleküler ağırlıkların veya kütlelerin deneysel olarak belirlenmesidir. Bilinen ve bilinmeyen bir gaz karışımımız varsa ve onu gözenekli bir kolondan geçirirsek, elde edilen karışım daha hafif gaz açısından zenginleşir. Bu zenginleştirme, iki gazın efüzyon oranları arasındaki oranla belirlenir. Graham’ın formülü bu oranları molar kütlelerin oranıyla ilişkilendirdiğinden, bunlardan birinin molar kütlesini bilmek, bilinmeyen gazın molar kütlesini hesaplamak için Graham denklemini kullanabilir.
Graham’ın difüzyon ve efüzyon yasası ile hesaplama örnekleri
uranyum zenginleştirme
İfade:
Uranyum-235’in bağıl atom kütlesinin 235,04 ve uranyum-238’inkinin 238,05 olduğunu ve florin ortalama atom kütlesinin 18,998 olduğunu bilerek , 235 UF6 ile 238 UF6’nın efüzyon hızları arasındaki ilişkiyi belirleyin .
Çözüm:
İki efüzyon hızı arasındaki ilişkiyi belirlediğimiz için Graham denklemini kullanacağız. Bunu yapmak için önce her iki gazın molar kütlelerini hesaplamamız gerekir.
Bu değerleri kullanarak efüzyon oranları arasındaki ilişkiyi belirleyebiliriz:
Bu sonuç, bu iki gazın bir karışımının gözenekli bir kolondan her geçişinde, ortaya çıkan gaz karışımının (gözeneklerden kaçan) öncekinden 1.0043 kat daha fazla bağıl konsantrasyon içereceğini gösterir.
Bilinmeyen bir gazın molar kütlesinin belirlenmesi.
İfade:
İki gazın eşmolar karışımına sahip olduğumuzu varsayalım. Biri karbondioksit (MM=44 g/mol) ve diğeri bilinmeyen bir gazdır (MM=?). Karbondioksit bilinmeyen gazdan 3 kat daha hızlı yayılıyorsa, bilinmeyen gazın molar kütlesini belirleyiniz.
Çözüm:
Bu durumda, iki efüzyon hızı arasındaki ilişkiyi biliyoruz, çünkü karbondioksitin 3 kat daha hızlı yayıldığını söyleyerek, difüzyon (veya efüzyon) hızının şu şekilde olduğu kastedilmektedir:
Şimdi, Graham yasasını uygulayarak, bilinmeyen gazın molar kütlesini belirleyebiliriz:
Bu denklemi çözerek şunu elde ederiz:
Bu nedenle, bilinmeyen gazın molar kütlesi 76.21 g/mol’dür.
Referanslar
İnternet Akademisi. (2018, 3 Eylül). Graham Yasası, Gaz Difüzyon Yasası [Video]. Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=Fd-a35TPfs0
Atkins, P. ve dePaula, J. (2010). Atkins. Fiziksel Kimya (8. baskı ). Panamerican Medical Editoryal.
difüzyon _ (2021, 22 Mart). BYJUS. https://byjus.com/biology/diffusion/
Graham’ın Difüzyon ve Efüzyon Kanunları . (1 Eylül 2020). https://chem.libretexts.org/@go/page/41411
Lümen Öğrenme. (son). 8.4: Gazların Efüzyonu ve Difüzyonu | Genel Kolej Kimya I. Kurslar Lümen öğrenme. https://courses.lumenlearning.com/suny-mcc-chemistryformajors-1/chapter/effusion-and-diffusion-of-gases/
Graham Yasası | Gazların Efüzyonu ve Difüzyonu . Kimya-Organik. https://www.quimica-organica.com/ley-de-graham/ adresinde mevcuttur .
