Grahamin kaava diffuusioon ja effuusioon

Grahamin laki ilmaisee suhteen, joka on effuusio tai diffuusio kaasusta ja siitä moolimassa. Diffuusio kuvaa kaasun leviämistä koko tilavuuden tai toisen kaasun läpi ja effuusio kuvaa kaasun liikkumisen pienen reiän läpi avoimeen kammioon.

Vuonna 1829 skotlantilainen kemisti Thomas Graham määritteli kokeiluilla, että kaasun effuusionopeus on kääntäen verrannollinen kaasuhiukkasten tiheyden neliöjuureen. Vuonna 1848 hän osoitti, että kaasun effuusionopeus on myös kääntäen verrannollinen sen moolimassan neliöjuureen. Grahamin laki osoittaa myös, että kaasujen kineettinen energia ovat samat samassa lämpötilassa.

Grahamin lain mukaan korko diffuusio tai effuusio kaasun määrä on käänteisesti verrannollinen sen moolimassan neliöjuureen. Katso tämä laki alla olevassa yhtälömuodossa.

r ∝ 1 / (M)^½

tai

r (M)^½ = vakio

Näissä yhtälöissä R = diffuusion tai effuusionopeus ja M = moolimassa.

Yleensä tätä lakia käytetään vertailemaan kaasujen diffuusio- ja efuusionopeuksien eroa, jota usein kutsutaan kaasuksi A ja kaasu B. Siinä oletetaan, että lämpötila ja paine ovat vakiona ja vastaavat kahden kaasun välillä. Kun tällaiseen vertailuun käytetään Grahamin lakia, kaava kirjoitetaan seuraavasti:

R_{Kaasu A}/ R_{Kaasu B} = (M_{Kaasu B})^½/(M_{Kaasu A})^½

Yksi Grahamin lain sovelluksista on määrittää, kuinka nopeasti kaasu virtaa suhteessa toiseen ja määrittää nopeusero. Esimerkiksi, jos haluat verrata vedyn (H₂) ja happikaasua (O₂), voit käyttää niiden moolimassoja (vety = 2 ja happi = 32) ja verrata niitä käänteisesti.

Yhtälö effuusionopeuksien vertaamiseksi: korko H₂/ arvosta O₂ = 32^1/2 / 2^1/2 = 16^1/2 / 1^1/2 = 4/1

Tämä yhtälö osoittaa, että vetymolekyylit poistuvat neljä kertaa nopeammin kuin happimolekyylit.

Toinen tyyppi Grahamin laki -ongelmasta voi pyytää sinua löytämään kaasun molekyylipainon, jos tiedät sen identiteetin ja efuusio-suhteen kahden eri kaasun välillä.

Yhtälö molekyylipainon löytämiseksi: M₂ = M₁nopeus₁² / Arvostele₂²

Toinen Grahamin lain soveltamisala on uraani rikastamiseen. Luonnollinen uraani koostuu isotooppien seoksesta, jonka massa on hieman erilainen. Kaasumaisessa effuusiossa uraanimalmista tehdään ensin uraaniheksafluoridikaasu, sitten se toistetaan jatkuvasti huokoisen aineen läpi. Jokaisen effuusion kautta huokosten läpi kulkeva materiaali keskittyy enemmän U-235: een ( ydinenergian tuottamiseen käytetty isotooppi), koska tämä isotooppi leviää nopeammin kuin raskaampi U-238.