قانون افیوژن گراهام یک اصل است که رفتار گازها را در هنگام خروج از یک سوراخ کوچک، به نام افیوژن، توصیف می کند. این قانون توسط شیمیدان اسکاتلندی توماس گراهام در سال 1848 فرموله شد. قانون گراهام توضیح می دهد که چگونه سرعت ترشح یک گاز با جذر جرم مولی آن نسبت معکوس دارد. این بدان معنی است که گازهای سبکتر سریعتر از گازهای سنگین تر انتشار می یابند.
افیوژن فرآیندی است که در آن مولکول‌های گاز از یک ظرف از طریق یک سوراخ کوچک به خلاء خارج می‌شوند. افیوژن را نباید با انتشار اشتباه گرفت، یعنی پخش شدن مولکول های گاز در سراسر یک فضا تا زمانی که به طور یکنواخت توزیع شوند. افیوژن بر حرکت گاز از طریق یک مانع متمرکز است، در حالی که دیفیوژن با انتشار گاز در یک منطقه باز سروکار دارد.
قانون گراهام را می توان به صورت ریاضی بیان کرد:
\( \frac{Rate_1}{Rate_2} = \sqrt{\frac{M_2}{M_1}} \)جایی که:
این معادله حاکی از آن است که سرعت انتشار گاز با معکوس جذر جرم مولی آن نسبت مستقیم دارد. بنابراین، گازی با جرم مولی کمتر سریعتر از گازی با جرم مولی بالاتر ترشح می کند.
مثال 1: مقایسه هیدروژن و اکسیژن.
گازهای هیدروژن (H 2 ) و اکسیژن ( O 2 ) را در نظر بگیرید. هیدروژن دارای جرم مولی تقریباً 2 گرم در مول و اکسیژن دارای جرم مولی تقریباً 32 گرم در مول است. استفاده از قانون گراهام:
\( \frac{Rate_{H_2}}{Rate_{O_2}} = \sqrt{\frac{32}{2}} = \sqrt{16} = 4 \)این به این معنی است که گاز هیدروژن چهار برابر سریعتر از گاز اکسیژن منتشر می شود.
مثال 2: پخش بوی عطر.
وقتی عطر را اسپری می کنید، بو به سرعت در تمام اتاق پخش می شود. این به دلیل جرم مولی کوچک مولکول‌های عطر است که به آنها اجازه می‌دهد تا طبق قانون گراهام به سرعت در هوا نفوذ کنند.
قانون گراهام چندین کاربرد عملی در فرآیندهای علمی و صنعتی دارد:
در حالی که قانون گراهام بینش های ارزشمندی را در مورد رفتار گازها ارائه می دهد، اما محدودیت هایی دارد:
اگرچه این درس شامل انجام آزمایش نمی شود، درک اینکه چگونه قانون گراهام را می توان نشان داد مفید است. یک آزمایش ساده شامل استفاده از دو بادکنک پر از گازهای مختلف است، مانند هلیوم برای یکی و دی اکسید کربن برای دیگری. با اتصال این بالون ها به یک دستگاه پخش گاز، می توان سرعت خروج هر گاز از بالون را مشاهده کرد. اندازه‌گیری زمان تخلیه هر بادکنک می‌تواند نمایشی عملی از قانون گراهام در عمل ارائه دهد.
قانون افیوژن گراهام یک اصل اساسی در مطالعه گازها است. درک روشنی از نحوه انتشار گازهای مختلف از طریق دهانه های کوچک ارائه می دهد و کاربردهای مهمی در زمینه های مختلف علم و فناوری دارد. قانون گراهام با وجود محدودیت‌هایش، همچنان یک ابزار ضروری برای دانشمندان و مهندسانی است که با گازها و مخلوط‌های گازی کار می‌کنند.
