Grahams formel for diffusion og effusion

Grahams lov udtrykker forholdet mellem hastigheden på effusion eller diffusion af en gas og den gas Molar masse. Diffusion beskriver spredningen af ​​en gas gennem et volumen eller en anden gas, og effusion beskriver bevægelsen af ​​en gas gennem et lille hul ind i et åbent kammer.

I 1829 bestemte den skotske kemiker Thomas Graham ved hjælp af eksperimenteringen, at en gass udstrømningshastighed er omvendt proportional til kvadratroden af ​​gaspartiklens densitet. I 1848 viste han, at udstrømningshastigheden af ​​en gas også er omvendt proportional med kvadratroten af ​​dens molære masse. Grahams lov viser også, at kinetiske energier i gasser er ens ved den samme temperatur.

Grahams lov angiver, at satsen for diffusion eller effusion af en gas er omvendt proportional med kvadratroten af ​​dens molære masse. Se denne lov i ligningsform nedenfor.

r ∝ 1 / (M)^½

eller

r (M)^½ = konstant

I disse ligninger r = diffusionshastighed eller effusion og M = molmasse.

Generelt bruges denne lov til at sammenligne forskellen i diffusions- og effusionshastigheder mellem gasser, ofte betegnet som gas A og gas B. Det antages, at temperatur og tryk er konstant og ækvivalent mellem de to gasser. Når Grahams lov anvendes til en sådan sammenligning, skrives formlen som følger:

r_{Gas A}/ r_{Gas B} = (M_{Gas B})^½/(M_{Gas A})^½

En anvendelse af Grahams lov er at bestemme, hvor hurtigt en gas vil strømme ud i forhold til en anden og kvantificere forskellen i hastighed. For eksempel, hvis du vil sammenligne udbrændingshastighederne for brint (H₂) og iltgas (O₂), kan du bruge deres molære masser (brint = 2 og ilt = 32) og relatere dem omvendt.

Ligning til sammenligning af effusionshastigheder: rate H₂/ rate O₂ = 32^1/2 / 2^1/2 = 16^1/2 / 1^1/2 = 4/1

Denne ligning viser, at brintmolekyler effiserer fire gange hurtigere end iltmolekyler.

En anden type Grahams lovproblem kan bede dig om at finde molekylvægten af ​​en gas, hvis du kender dens identitet og effusionsforholdet mellem to forskellige gasser.

Ligning for at finde molekylvægt: M₂ = M₁Sats₁² / Rate₂²

En anden praktisk anvendelse af Grahams lov er uran berigelse. Naturligt uran består af en blanding af isotoper med lidt forskellige masser. Ved gasudstrømning fremstilles uranmalm først til uranhexafluoridgas, hvorefter den gentagne gange udtømmes gennem et porøst stof. Gennem hver effusion bliver materialet, der passerer gennem porerne, mere koncentreret i U-235 (the isotop, der bruges til at generere kerneenergi), fordi denne isotop diffunderer i en hurtigere hastighed end den tungere U-238.