Tabla de Contenidos
Khuếch tán và tràn dịch là hai quá trình liên quan cho phép chúng ta hiểu hành vi của khí và vật chất nói chung ở cấp độ phân tử. Sự tràn dịch được chi phối khá chính xác bởi định luật Graham, nhưng nó cũng cho phép mô tả đầy đủ (mặc dù gần đúng) quá trình khuếch tán, cung cấp một mô hình giải thích tại sao một số khí khuếch tán nhanh hơn những khí khác.
Khuếch tán là gì?
Khuếch tán là sự chuyển động của các hạt trong không gian theo gradient nồng độ của chúng . Đó là, nó nói về sự chuyển động của bất kỳ loại hạt nào, có thể là chất khí hoặc chất tan trong dung dịch, từ vùng có nồng độ cao hơn sang vùng khác có nồng độ thấp hơn. Khuếch tán là một quá trình có tầm quan trọng lớn trong nhiều bối cảnh khoa học, bao gồm hóa học, vật lý và sinh học.
Tràn dịch là gì?
Tràn dịch là quá trình khí đi từ một ngăn hoặc thùng chứa này sang ngăn hoặc thùng chứa khác thông qua một lỗ nhỏ hoặc lỗ thông hơi . Để quá trình được coi là thoát ra ngoài, đường kính của lỗ phải nhỏ hơn đáng kể so với đường đi tự do trung bình của hạt khí. Con đường trung bình này đề cập đến khoảng cách trung bình mà một hạt có thể di chuyển theo đường thẳng mà không va chạm với hạt khác trong các điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định.
Tràn dịch là quá trình, ví dụ, một quả bóng chứa đầy khí heli tự xì hơi theo thời gian hoặc theo đó một loại nước ngọt được đậy kín sẽ mất gần như toàn bộ lượng khí carbon dioxide sau một vài năm, mặc dù được niêm phong “kín”.
Quy luật tràn dịch của Graham
Nhà vật lý người Scotland Thomas Graham đã nghiên cứu quá trình tràn khí vào năm 1846 và xác định bằng thực nghiệm rằng tốc độ tràn khí của bất kỳ loại khí nào tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của khối lượng các hạt của nó. Điều này có thể được thể hiện như sau:
Trong đó r đại diện cho tốc độ tràn qua một lỗ nhỏ hoặc lỗ rỗng và MM tương ứng với khối lượng mol của khí (chữ r là viết tắt của tỷ lệ trong tiếng Anh, được gọi là tỷ lệ ). Định luật tỷ lệ này được gọi là định luật Graham hay phương trình tràn dịch, mặc dù nó cũng thường được gọi là định luật Graham hay phương trình khuếch tán vì nó cũng áp dụng cho hiện tượng này.
Tốc độ tràn ( r ) cho biết số lượng hạt đi qua lỗ rỗng hoặc lỗ trên một đơn vị thời gian. Trong trường hợp tràn dịch qua bề mặt xốp, trong đó có hàng triệu lỗ nhỏ li ti, tốc độ tràn dịch có thể đề cập đến tổng số hạt (hoặc khối lượng khí) đi qua bề mặt xốp trên một đơn vị diện tích và trên một đơn vị diện tích. đơn vị thời gian. Trong bối cảnh khuếch tán, r biểu thị tốc độ khuếch tán và biểu thị lượng khí khuếch tán trên một đơn vị diện tích và trên một đơn vị thời gian.
Tỷ lệ tốc độ tràn hoặc khuếch tán của hai khí
Công thức của Graham cũng có thể được biểu diễn theo một cách khác để liên hệ tốc độ tràn của hai loại khí khác nhau trong cùng điều kiện. Điều này giúp ta có thể so sánh, chẳng hạn, khí nào trong hai khí thoát ra nhanh hơn khi cả hai được chứa trong cùng một bình chứa có bề mặt xốp. Trong trường hợp này, định luật Graham được viết như sau:
Phương trình này chỉ ra rằng, giữa hai chất khí ở cùng điều kiện, chất nào có các hạt nhẹ hơn sẽ thoát ra nhanh hơn. Hơn nữa, tỷ lệ của tốc độ tràn dịch thay đổi như một hàm của căn bậc hai khối lượng của các hạt. Nghĩa là, nếu một chất khí nặng gấp 4 lần chất khí khác, thì nó sẽ khuếch tán với tốc độ bằng một nửa.
Giải thích định luật khuếch tán và tràn dịch của Graham
Định luật Graham là một định luật thực nghiệm ban đầu được thiết lập dựa trên các quan sát thực nghiệm. Nói cách khác, đó là biểu thức toán học liên hệ tốc độ tràn dịch với khối lượng của các hạt. Tuy nhiên, sự phát triển của lý thuyết động học của chất khí cho phép chúng ta hiểu nguồn gốc của công thức Graham, nghĩa là mô hình này giải thích tại sao các chất khí (lý tưởng) tuân theo phương trình đã nói.
Sử dụng mô hình quả cầu cứng trong đó các chất khí chỉ va chạm thông qua các va chạm đàn hồi, người ta đã xác định được rằng tốc độ tràn phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của các hạt, và điều này, đến lượt nó, tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của khối lượng của nó.
Các ứng dụng của Định luật khuếch tán và tràn dịch của Graham
Làm giàu đồng vị khí
Định luật Graham có hai lĩnh vực ứng dụng rất quan trọng. Một mặt, nó cho phép phát triển các hệ thống làm giàu hoặc tinh chế hoàn toàn dựa trên trọng lượng phân tử của khí. Khi cho một hỗn hợp khí đi qua cột có thành xốp, tất cả các khí trong hỗn hợp sẽ có xu hướng thoát ra ngoài qua các lỗ xốp, nhưng hạt nhẹ thoát ra nhanh hơn hạt nặng nên hỗn hợp khí thoát ra sẽ giàu các hạt ánh sáng này.
Đây là nguyên tắc hoạt động của hệ thống làm giàu uranium-235 được sử dụng trong Dự án Manhattan để chế tạo quả bom nguyên tử đầu tiên. Để có thể sử dụng được trong bom, uranium-235 phải được làm giàu đến nồng độ cao hơn nhiều so với 0,7% trong uranium tự nhiên.
Để tinh chế đồng vị này, tất cả urani trong mẫu được chuyển thành hợp chất dễ bay hơi urani hexaflorua (UF 6 ), hợp chất này bị hóa hơi và hỗn hợp khí được truyền qua một loạt các cột xốp. Vì 235 UF 6 nhẹ hơn 238 UF 6 , nên chất thứ nhất khuếch tán nhanh hơn chất thứ hai (tuân theo định luật Graham) và hỗn hợp cuối cùng được làm giàu nhẹ bằng uranium-235 sau mỗi lần đi qua cột.
Xác định trọng lượng phân tử
Một ứng dụng khác của phương trình Graham là trong thực nghiệm xác định trọng lượng hoặc khối lượng phân tử. Nếu chúng ta có một hỗn hợp của một loại khí đã biết và một loại khí chưa biết và chúng ta cho nó đi qua một cột xốp, thì hỗn hợp thu được sẽ được làm giàu bằng khí nhẹ hơn. Sự làm giàu này được xác định bởi tỷ lệ giữa tốc độ tràn của hai loại khí. Vì công thức của Graham liên hệ các tốc độ này với tỷ lệ khối lượng mol, nên khi biết khối lượng mol của một trong số chúng có thể sử dụng phương trình của Graham để tính khối lượng mol của khí chưa biết.
Ví dụ về tính toán với định luật khuếch tán và tràn dịch của Graham
làm giàu uranium.
Tuyên bố:
Biết rằng khối lượng nguyên tử tương đối của urani-235 là 235,04 và của urani-238 là 238,05 và khối lượng nguyên tử trung bình của flo là 18,998 , hãy xác định mối quan hệ giữa tốc độ tràn của 235 UF 6 và 238 UF6 . _
Giải pháp:
Vì chúng tôi đang xác định mối quan hệ giữa hai tốc độ tràn dịch, chúng tôi sẽ sử dụng phương trình của Graham. Để làm điều này, trước tiên chúng ta cần tính khối lượng mol của cả hai loại khí.
Sử dụng các giá trị này, chúng ta có thể xác định mối quan hệ giữa tốc độ tràn dịch:
Kết quả này chỉ ra rằng mỗi khi hỗn hợp của hai loại khí này được truyền qua một cột xốp, thì hỗn hợp khí thu được (hỗn hợp khí thoát ra qua các lỗ xốp) sẽ chứa một nồng độ tương đối lớn hơn 1,0043 lần so với trước đó.
Xác định khối lượng mol của một loại khí chưa biết.
Tuyên bố:
Giả sử chúng ta có một hỗn hợp cân bằng gồm hai khí. Một là carbon dioxide (MM=44 g/mol) và một là khí chưa biết (MM=?). Nếu carbon dioxide khuếch tán nhanh hơn 3 lần so với khí chưa biết, hãy xác định khối lượng mol của khí chưa biết.
Giải pháp:
Trong trường hợp này, chúng ta biết mối quan hệ giữa hai tốc độ tràn dịch, vì khi nói rằng carbon dioxide khuếch tán nhanh hơn 3 lần, điều đó có nghĩa là tốc độ khuếch tán (hoặc tràn dịch) của nó là:
Bây giờ, áp dụng định luật Graham, chúng ta có thể xác định khối lượng mol của khí chưa biết:
Giải phương trình này, ta được:
Do đó, khối lượng mol của khí chưa biết là 76,21 g/mol.
Người giới thiệu
Học viện Internet. (2018, ngày 3 tháng 9). Định luật Graham, Định luật khuếch tán khí [Video]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=Fd-a35TPfs0
Atkins, P., & dePaula, J. (2010). Atkins. Hóa lý ( tái bản lần thứ 8 .). Biên tập y tế Panamerican.
khuếch tán . (2021, ngày 22 tháng 3). BYJUS. https://byjus.com/biology/diffusion/
Định luật khuếch tán và tràn dịch của Graham . (01/09/2020). https://chem.libretexts.org/@go/page/41411
Học Lumen. (nd). 8.4: Tràn dịch và Khuếch tán Khí | Đại học Tổng hợp Hóa học I . Các khóa học Lumenlearning. https://courses.lumenlearning.com/suny-mcc-chemistryformajors-1/chapter/effusion-and-diffusion-of-gases/
Định luật Graham | Tràn dịch và khuếch tán khí . Hóa-Hữu cơ. Có tại https://www.quimica-organica.com/ley-de-graham/ .
