Objetivos

Ao final desta seção, você será capaz de:

  • Definir e explicar efusão e difusão
  • Estado lei de Graham e usá-lo para calcular relevantes propriedades de gás

Se você já foi em um quarto, quando uma tubulação quente pizza foi entregue, você está ciente do fato de que moléculas gasosas podem rapidamente se espalhou por toda a sala, como evidenciado por um agradável aroma que logo alcança o seu nariz., Embora as moléculas gasosas viajem a tremendas velocidades (centenas de metros por segundo), elas colidem com outras moléculas gasosas e viajam em muitas direções diferentes antes de atingir o alvo desejado. À temperatura ambiente, uma molécula gasosa experimentará bilhões de colisões por segundo. O caminho livre médio é a distância média que uma molécula percorre entre colisões., O caminho livre médio aumenta com a diminuição da pressão; em geral, o caminho livre médio para o gasoso molécula vai ser centenas de vezes maior que o diâmetro da molécula

Em geral, sabemos que quando uma amostra de gás é introduzido a uma parte de um recipiente fechado, suas moléculas muito rapidamente se dispersar por todo o recipiente; este processo pelo qual moléculas de dispersar no espaço, em resposta às diferenças de concentração é chamado difusão (mostrado na Figura 1)., Os átomos ou moléculas gasosos são, naturalmente, inconscientes de qualquer gradiente de concentração, eles simplesmente se movem aleatoriamente—regiões de maior concentração têm mais partículas do que regiões de menor concentração, e assim um movimento líquido de espécies de áreas de alta para baixa concentração ocorre. Num ambiente fechado, a difusão resultará, em última análise, em concentrações iguais de gás por todo o lado, como descrito na Figura 1., Os átomos e moléculas gasosas continuam a se mover, mas como suas concentrações são as mesmas em ambas as lâmpadas, as taxas de transferência entre as lâmpadas são iguais (nenhuma transferência líquida de moléculas ocorre).

Figura 1. a) dois gases, H2 e O2, são inicialmente separados. b) Quando a torneira é aberta, misturam-se. O gás mais leve, H2, passa pela abertura mais rápido que o O2, então logo após a torneira ser aberta, mais moléculas de H2 movem-se para o lado O2 do que moléculas de O2 movem-se para o lado H2., c) após um curto período de tempo, tanto as moléculas de O2 em movimento mais lento como as moléculas de H2 em movimento mais rápido distribuíram-se uniformemente em ambos os lados do recipiente.,

Estamos muitas vezes interessados em que a taxa de difusão, a quantidade de gás que passa através da área por unidade de tempo:

\text{taxa de difusão} = \frac{\text{quantidade de gás que passa através de uma área}}{\text{unidade de tempo}}

A taxa de difusão depende de vários fatores: o gradiente de concentração (aumento ou diminuição da concentração de um ponto a outro); a quantidade de área de superfície disponível para a difusão; e a distância que as partículas de gás deve viajar., Note também que o tempo necessário para a difusão ocorrer é inversamente proporcional à taxa de difusão, como mostrado na equação de difusão.um processo que envolve o movimento de espécies gasosas semelhantes à difusão é a efusão, a fuga de moléculas de gás através de um buraco minúsculo, como um buraco no balão para um vácuo (Figura 2). Embora as taxas de difusão e efusão dependam tanto da massa molar do gás envolvido, suas taxas não são iguais; no entanto, as razões de suas taxas são as mesmas.,

Figura 2. A difusão ocorre quando moléculas de gás se dispersam através de um recipiente. Efusão ocorre quando um gás passa por uma abertura que é menor do que o caminho livre médio das partículas, ou seja, a distância média percorrida entre colisões. Efetivamente, isso significa que apenas uma partícula passa de cada vez.,

Se uma mistura de gases é colocado em um recipiente com paredes porosas, os gases effuse através de pequenas aberturas nas paredes. Os gases mais leves passam pelas pequenas aberturas mais rapidamente (a uma taxa mais elevada) do que os mais pesados (Figura 3).,partículas:

\text{taxa de efusão} \propto \frac{1}{\sqrt{\mathcal{M}}}

Isto significa que, se dois gases A e B estão na mesma temperatura e pressão, a relação entre as suas derrame taxas é inversamente proporcional à relação entre as raízes quadradas das massas de suas partículas:

\frac{\text{taxa de efusão de Um}}{\text{taxa de efusão de B}} = \frac{\sqrt{\mathcal{M}_\text{B}}}{\sqrt{\mathcal{M}_\text{A}}}
Figura 3., Um balão cheio de ar (o azul) permanece cheio durante a noite. Um balão cheio de hélio (o verde) desflora parcialmente porque os átomos menores e leves de hélio se efusam através de pequenos buracos na borracha muito mais facilmente do que as moléculas mais pesadas de nitrogênio e oxigênio encontrados no ar. (credit: modification of work by Mark Ott)

Aqui está outro exemplo, fazendo o ponto sobre como a determinação dos tempos difere da determinação das taxas.,

finalmente, aqui está mais um exemplo mostrando como calcular a massa molar a partir dos dados da taxa de efusão.

Utilização da difusão para aplicações de energia Nuclear: enriquecimento de urânio

difusão gasosa tem sido utilizada para produzir urânio enriquecido para utilização em centrais nucleares e armas. Urânio natural contém apenas 0,72% de 235U, o tipo de urânio que é “físsil”, ou seja, capaz de sustentar uma reação em cadeia de fissão nuclear. Os reactores nucleares necessitam de combustível que seja de 2-5% 235U, e as bombas nucleares precisam de concentrações ainda mais elevadas., Uma maneira de enriquecer urânio para os níveis desejados é aproveitar a lei de Graham. Em uma fábrica de enriquecimento de difusão gasosa, o hexafluoreto de urânio (UF6, o único composto de urânio que é volátil o suficiente para funcionar) é lentamente bombeado através de grandes recipientes cilíndricos chamados difusores, que contêm barreiras porosas com aberturas microscópicas. O processo é de difusão porque o outro lado da barreira não é evacuado. As 235UF6 têm uma velocidade média mais elevada e se difunde através da barreira um pouco mais rápido do que as 238UF6 mais pesadas., O gás que passou pela barreira é ligeiramente enriquecido em 235UF6 e o gás residual está ligeiramente esgotado. A pequena diferença de pesos moleculares entre 235UF6 e 238UF6 apenas é alcançada em cerca de 0, 4% de enriquecimento ,num difusor (Figura 4). Mas ao conectar muitos difusores em uma sequência de etapas (chamada cascata), o nível desejado de enriquecimento pode ser alcançado.

Figura 4., Em um difusor, gás UF6 é bombeado através de uma barreira porosa, o que parcialmente separa 235UF6 de 238UF6 O UF6 deve passar por muitos o grande difusor de unidades para alcançar suficiente enriquecimento em 235U.

O grande escala separação de gases 235UF6 de 238UF6 foi feito pela primeira vez durante a segunda Guerra Mundial, a energia atômica instalação em Oak Ridge, no Tennessee, como parte do Projeto Manhattan (o desenvolvimento da primeira bomba atômica)., Embora a teoria seja simples, isso exigiu superar muitos desafios técnicos assustadores para fazê-la funcionar na prática. A barreira deve ter furos minúsculos e uniformes (cerca de 10-6 cm de diâmetro) e ser porosa o suficiente para produzir altas taxas de fluxo. Todos os materiais (barreira, tubagem, revestimentos de superfície, lubrificantes e juntas) precisam ser capazes de conter, mas não reagir com, o UF6 altamente reativo e corrosivo.,

Devido a difusão gasosa plantas requerem grandes quantidades de energia (para comprimir o gás para altas pressões necessárias e conduzi-lo através do difusor em cascata, para remover o calor produzido durante a compressão, e assim por diante), é agora a ser substituído por gás tecnologia de centrifugação, que requer muito menos energia. Uma questão política actual é a de saber como negar esta tecnologia ao irão, para o impedir de produzir urânio enriquecido suficiente para que possam utilizar para fabricar armas nucleares.

átomos e moléculas gasosos movem-se livremente e aleatoriamente pelo espaço., Difusão é o processo pelo qual átomos e moléculas gasosos são transferidos de regiões de concentração relativamente alta para regiões de concentração relativamente baixa. Efusão é um processo similar no qual espécies gasosas passam de um recipiente para um vácuo através de orifícios muito pequenos. As taxas de efusão de gases são inversamente proporcionais às raízes quadradas de suas densidades ou às raízes quadradas de suas massas de átomos/moléculas (Lei de Graham).,um balão cheio de gás hélio leva 6 horas para se esvaziar até 50% do seu volume original. Quanto tempo demorará um balão idêntico cheio com o mesmo volume de hidrogénio (em vez de hélio) a diminuir o seu volume em 50%?

  • explique por que o número de moléculas não é idêntico nas lâmpadas da esquerda e da direita mostradas na ilustração central da Figura 1.,começando com a definição da taxa de efusão e a descoberta de Graham relativa à taxa e massa molar, mostram como derivar a equação de lei de Graham, relacionando as taxas relativas de efusão para dois gases com suas massas moleculares.
  • água Pesada, D2O (massa molar = 20.03 g mol–1), pode ser separado da água ordinária, H2O (massa molar = 18.01), como resultado da diferença nas taxas relativas de difusão de moléculas na fase gasosa. Calcular as taxas relativas de difusão da H2O e D2O.
  • Qual dos seguintes gases difusa Mais lentamente do que o oxigénio?, F2, Ne, N2O, C2H2, NO, Cl2, H2S
  • Durante a discussão da difusão gasosa para enriquecimento de urânio, foi alegado que
    235UF6 difunde 0,4% mais rápido que 238UF6. Mostra o cálculo que suporta este valor. A massa molar de 235UF6 = 235.043930 + 6 × 18.998403 = 349.034348 g/mol e a massa molar de 238UF6 = 238.050788 + 6 × 18.998403 = 352.041206 g/mol.
  • calcula a taxa relativa de difusão de 1H2 (massa molar de 2,0 g/mol) em comparação com a de 2H2 (massa molar de 4.,0 g/mol) e a taxa relativa de difusão de O2 (massa molar de 32 g/mol), em comparação com a de O3 (massa molar de 48 g/mol).um gás de Identidade Desconhecida difunde-se a uma taxa de 83, 3 mL/s num aparelho de difusão no qual o dióxido de carbono se difunde à taxa de 102 mL/s. calcular a massa molecular do gás desconhecido.
  • Quando dois tampões de algodão, uma umedecido com amônia e o outro com ácido clorídrico, são, simultaneamente, inserido em extremidades opostas de um tubo de vidro que é 87.0 cm de comprimento, um anel branco de NH4Cl formulários onde gasosos NH3 e HCl gasoso pela primeira vez entrar em contato., (Dica: calcular as taxas de difusão para NH3 e HCl, e descobrir o quanto mais rápido o NH3 se difunde do que o HCl.)\text{NH}_3(g) + \text{HCl}(g) \longrightarrow \text{NH}_4 \text{Cl}(s)

    de, aproximadamente, que a distância a partir da amônia umedecido plug que isso ocorre?,m ou molécula a partir de uma região de concentração relativamente elevada a uma relativamente baixa concentração (discutidos neste capítulo, com relação às espécies gasosas, mas aplicável à espécie, em qualquer fase) derrame a transferência de gases de átomos ou moléculas de um recipiente a vácuo através de aberturas muito pequenas lei de Graham de derrame taxas de difusão e efusão dos gases são inversamente proporcionais às raízes quadradas de suas massas moleculares caminho livre médio distância média de uma molécula de viagens entre colisões taxa de difusão quantidade de gás de difusão através de uma determinada área em um determinado tempo