Dreifing og útflæði eru tveir tengdir ferlar sem gera okkur kleift að skilja hegðun lofttegunda og efnis almennt á sameindastigi. Útflæði er stjórnað alveg nákvæmlega af lögum Grahams, en það leyfir líka fullnægjandi (þó áætlaða) lýsingu á dreifingarferlinu, sem gefur líkan sem útskýrir hvers vegna sumar lofttegundir dreifast hraðar en aðrar.
Hvað er dreifing?
Dreifing er hreyfing agna í gegnum geiminn eftir styrkleikafalli þeirra . Það er að segja, það snýst um tilfærslu hvers konar agna, hvort sem það er lofttegund eða uppleyst efni í lausn, frá svæði þar sem styrkur hennar er hærri til annars þar sem styrkur hennar er lægri. Dreifing er ferli sem skiptir miklu máli í mörgum vísindalegum samhengi, þar á meðal efnafræði, eðlisfræði og líffræði.
Hvað er útflæðið?
Útflæði er ferlið þar sem gas fer frá einu hólfi eða íláti í annað í gegnum lítið gat eða op . Til að ferlið teljist úthelling þarf þvermál holunnar að vera töluvert minna en meðal laus leið gasögnarinnar. Þessi meðalvegur vísar til meðalvegalengdar sem ögn getur ferðast í beinni línu án þess að rekast á aðra ögn við gefnar aðstæður hitastigs og þrýstings.
Útflæði er ferlið þar sem til dæmis helíumfyllt blaðra tæmist af sjálfu sér með tímanum, eða þar sem lokaður gosdrykkur tapar næstum öllu koltvísýringi sínu eftir nokkur ár, þrátt fyrir að vera lokað.
Lögmál Grahams um útflæði
Skoski eðlisfræðingurinn Thomas Graham rannsakaði útflæðisferlið árið 1846 og komst að því með tilraunum að útflæðishraðinn hvers gass er í öfugu hlutfalli við kvaðratrót massa agna þess. Þetta má tjá sem:
Þar sem r táknar útflæðishraða í gegnum lítið gat eða holu og MM samsvarar mólmassa gassins (stafurinn r stendur fyrir hraða á ensku, sem kallast rate ). Þetta meðalhófslögmál varð þekkt sem Grahams lögmál eða útflæðisjafna, þó það sé líka oft kallað Grahams lögmál eða dreifingarjafna vegna þess að það á einnig við um þetta fyrirbæri.
Útflæðishraðinn ( r ) gefur til kynna fjölda agna sem fara í gegnum holuna eða gatið á tímaeiningu. Ef um er að ræða útflæði í gegnum gljúpt yfirborð, þar sem milljónir örsmárra svitahola eru, getur útflæðishraðinn átt við heildarfjölda agna (eða massa gas) sem fara í gegnum gljúpa yfirborðið á hverja flatarmálseiningu og á hverja flatarmálseiningu. tímaeiningu. Í samhengi við dreifingu gefur r til kynna dreifingarhraða og táknar magn gass sem dreifist á flatarmálseiningu og á tímaeiningu.
Hlutfall hraða útflæðis eða dreifingar tveggja lofttegunda
Formúla Grahams er einnig hægt að tjá á annan hátt til að tengja útflæðishraða tveggja mismunandi lofttegunda við sömu aðstæður. Þetta gerir til dæmis mögulegt að bera saman hvor tveggja lofttegunda sleppur hraðar þegar báðar eru í sama íláti með gljúpu yfirborði. Í þessu tilviki er lögmál Grahams skrifað svona:
Það sem þessi jafna gefur til kynna er að á milli tveggja lofttegunda sem eru við sömu aðstæður mun sú sem er með léttari agnirnar sleppa hraðar. Ennfremur er hlutfall útflæðishraða breytilegt sem fall af kvaðratrót massa agna. Það er að segja, ef gas er 4 sinnum þyngra en annað, þá dreifist það með helmingi hraðari.
Útskýring á lögmáli Grahams um útbreiðslu og útflæði
Grahams lögmálið er reynslulögmál sem upphaflega var stofnað á grundvelli tilraunaathugana. Með öðrum orðum, það er stærðfræðileg tjáning sem tengir útflæðishraða við massa agnanna. Hins vegar, þróun hreyfikenningarinnar um lofttegundir gerði okkur kleift að skilja uppruna Grahams formúlu, það er að segja þetta líkan útskýrir hvers vegna (tilvalin) lofttegundir eru í samræmi við þessa jöfnu.
Með því að nota harðkúlulíkan þar sem lofttegundir rekast aðeins í gegnum teygjanlega árekstra, var ákvarðað að útflæðishraðinn veltur á hreyfihraða agnanna, og það er aftur í öfugu hlutfalli við kvaðratrót massa hennar.
Umsóknir um lögmál Grahams um dreifingu og útflæði
Auðgun gassamsæta
Lög Grahams hafa tvö mjög mikilvæg notkunarsvið. Annars vegar gerði það kleift að þróa auðgunar- eða hreinsunarkerfi sem byggðust eingöngu á mólmassa lofttegundanna. Þegar blöndu af lofttegundum er hleypt í gegnum súlu með gljúpum veggjum munu allar lofttegundir í blöndunni hafa tilhneigingu til að sleppa út um svitaholurnar, en léttari agnirnar gera það hraðar en þær þyngri, þannig að gasblandan sem sleppur verður ríkari af þessar léttu agnir.
Þetta er rekstrarregla úran-235 auðgunarkerfisins sem var notað í Manhattan verkefninu við framleiðslu fyrstu kjarnorkusprengjunnar. Til að vera nothæft í sprengjuna þarf úran-235 að vera auðgað í mun hærri styrk en þau 0,7% sem náttúrulegt úran inniheldur.
Lög Grahams leyfðu þróun auðgunarkerfisins úran-235 sem notað var í Manhattan verkefninu til að framleiða fyrstu kjarnorkusprengjuna.
Til að hreinsa þessa samsætu er öllu úraninu í sýninu umbreytt í rokgjarna efnasambandið úranium hexafluoride (UF 6 ), sem er gufað upp og loftkennda blandan er látin fara í gegnum hlaup gljúpra súlna. Þar sem 235 UF 6 er léttara en 238 UF 6 dreifist hið fyrra hraðar en hið síðarnefnda (eftir lögum Grahams) og blandan endar örlítið auðguð með úrani-235 eftir hverja leið í gegnum súlu.
Ákvörðun mólmassa
Önnur beiting á jöfnu Grahams er í tilraunaákvörðun á mólþunga eða massa. Ef við höfum blöndu af þekktu og óþekktu gasi og við förum því í gegnum gljúpa súlu, verður blandan sem myndast auðguð af léttara gasi. Þessi auðgun er ákvörðuð af hlutfallinu á milli útflæðishraða lofttegundanna tveggja. Þar sem formúla Grahams tengir þessa hraða við hlutfall mólmassa, að vita mólmassa eins þeirra getur notað jöfnu Grahams til að reikna út mólmassa óþekkta gassins.
Dæmi um útreikninga með lögmáli Grahams um útbreiðslu og útflæði
auðgun úrans.
Yfirlýsing:
Með því að vita að hlutfallslegur atómmassi úrans-235 er 235,04 og úrans-238 er 238,05 og að meðalatómmassi flúors er 18,998, ákvarðar sambandið milli útflæðishraða 235 UF 6 og 238 _UF6 .
Lausn:
Þar sem við erum að ákvarða sambandið milli tveggja útflæðishraða, munum við nota jöfnu Grahams. Til að gera þetta þurfum við fyrst að reikna út mólmassa beggja lofttegunda.
Með því að nota þessi gildi getum við ákvarðað sambandið milli útflæðishraða:
Þessi niðurstaða gefur til kynna að í hvert sinn sem blanda af þessum tveimur lofttegundum fer í gegnum gljúpa súlu mun gasblandan sem myndast (sú sem sleppur út um svitaholurnar) innihalda hlutfallslegan styrk sem er 1,0043 sinnum meiri en hann var áður.
Ákvörðun á mólmassa óþekktrar gastegundar.
Yfirlýsing:
Segjum að við höfum jafnmóla blöndu tveggja lofttegunda. Önnur er koltvísýringur (MM=44 g/mól) og hin er óþekkt gas (MM=?). Ef koltvísýringur dreifist þrisvar sinnum hraðar en óþekkta gasið, ákvarða mólmassa óþekkta gassins.
Lausn:
Í þessu tilfelli þekkjum við tengslin á milli útflæðishraðanna tveggja, þar sem með því að segja að koltvísýringur dreifist 3 sinnum hraðar, er átt við að dreifingarhraði þess (eða útflæði) sé:
Nú, með því að beita lögmáli Grahams, getum við ákvarðað mólmassa óþekkta gassins:
Við að leysa þessa jöfnu fáum við:
Þess vegna er mólmassi óþekkta gassins 76,21 g/mól.
Heimildir
Internet Academy. (2018, 3. september). Lög Grahams, lögmál um gasdreifingu [Myndband]. Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=Fd-a35TPfs0
Atkins, P. og dePaula, J. (2010). Atkins. Eðlisefnafræði ( 8. útgáfa). Panamerican Medical ritstjórn.
Dreifing . (2021, 22. mars). BYJUS. https://byjus.com/biology/diffusion/
Lögmál Grahams um dreifingu og útflæði . (1. september 2020). https://chem.libretexts.org/@go/page/41411
Lumen nám. (nd). 8.4: Útflæði og dreifing lofttegunda | General College Chemistry I. Námskeið Lumenlearning. https://courses.lumenlearning.com/suny-mcc-chemistryformajors-1/chapter/effusion-and-diffusion-of-gases/
Lögmál Grahams | Útflæði og dreifing lofttegunda . Efnafræði-Lífræn. Fáanlegt á https://www.quimica-organica.com/ley-de-graham/ .
