5.9 : Efüzyon ve Difüzyon

Gaz halindeki moleküller muazzam hızlarda (saniyede yüzlerce metre) hareket etseler de, diğer gaz molekülleri ile çarpışırlar ve istenen hedefe ulaşmadan önce birçok farklı yönde hareket ederler. Oda sıcaklığında, gaz halindeki bir molekül saniyede milyarlarca çarpışma yaşayacaktır. Ortalama serbest yol, bir molekülün çarpışmalar arasında seyahat ettiği ortalama mesafedir. Ortalama serbest yol, azalan basınçla artar; genel olarak, gaz halindeki bir molekül için ortalama serbest yol, molekülün çapının yüzlerce katı olacaktır.

Genel olarak, kapalı bir kabın bir kısmına bir gaz örneği koyulduğunda, gaz molekülleri kap boyunca çok hızlı bir şekilde dağılır; moleküllerin konsantrasyondaki farklılıklara yanıt olarak uzayda dağıldığı bu işleme difüzyon denir. Gaz halindeki atomlar veya moleküller elbette herhangi bir konsantrasyon gradyanından habersizdir; sadece rastgele hareket ederler-daha yüksek konsantrasyon bölgeleri daha düşük konsantrasyon bölgelerinden daha fazla parçacığa sahiptir ve bu nedenle partiküllerin yüksek konsantrasyon alanlarından düşük konsantrasyon alanlarına net hareketi gerçekleşir. Kapalı bir ortamda, difüzyon sonuçta kap boyunca eşit konsantrasyonlarda gaz molekülleri ile sonuçlanacaktır. Gaz halindeki atomlar ve moleküller hareket etmeye devam eder, ancak konsantrasyonları her iki tarafta da aynı olduğundan, taraflar arasındaki transfer oranları eşittir (moleküllerin net transferi gerçekleşmez). Birim zaman başına bir alandan geçen gaz miktarı difüzyon hızıdır.

Difüzyon hızı çeşitli faktörlere bağlıdır: konsantrasyon gradyanı (konsantrasyonda bir noktadan diğerine artış veya azalma), difüzyon için mevcut yüzey alanı miktarı ve gaz parçacıklarının kat etmesi gereken mesafe.

Difüzyona benzer gaz halindeki türlerin hareketini içeren bir işlem efüzyondur ve gaz moleküllerinin bir balondaki bir iğne deliği gibi küçük bir delikten bir vakuma kaçmasıdır. Difüzyon ve efüzyon oranlarının her ikisi de ilgili gazın molar kütlesine bağlı olsa da, oranları eşit değildir; bununla birlikte, hızlarının oranları aynıdır.

Gözenekli duvarlara sahip bir kaba bir gaz karışımı yerleştirilirse, gazlar duvarlardaki küçük açıklıklardan akar. Daha hafif gazlar küçük açıklıklardan daha ağır olandan daha hızlı (daha yüksek bir oranda) geçer. 1832'de Thomas Graham, farklı gazların efüzyon oranlarını incelemiş ve Graham efüzyon yasasını formüle etmiştir: bir gazın efüzyon hızı, parçacıklarının kütlesinin karekökü ile ters orantılıdır:

Bu, eğer iki gaz, A ve B, aynı sıcaklık ve basınçta ise, efüzyon hızlarının oranının, parçacıklarının kütlelerinin kareköklerinin oranı ile ters orantılı olduğu anlamına gelir:

Bu ilişki çakmak gazının yüksek efüzyon hızına sahip olduğunu göstermektedir.

Örneğin, helyum dolu bir kauçuk balon, hava dolu olandan daha hızlı sönmektedir, çünkü kauçuğun gözeneklerinden efüzyon hızı, daha hafif helyum atomları için hava moleküllerinden daha hızlıdır.

Bu metin bu kaynaktan uyurlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 9.4: Effusion and Diffusion of Gases.