グラハムの流出の法則は、流出と呼ばれる小さな穴からガスが漏れ出すときの挙動を説明する原理です。この法則は、1848 年にスコットランドの化学者トーマス グラハムによって考案されました。グラハムの法則は、ガスの流出速度がそのモル質量の平方根に反比例することを説明しています。つまり、軽いガスは重いガスよりも速く流出します。
浸出とは、ガス分子が容器の小さな穴から真空中に漏れ出るプロセスです。浸出を拡散と混同しないでください。拡散とは、ガス分子が均一に分布するまで空間全体に広がることです。浸出は、ガスが障壁を通過する動きに焦点を当てていますが、拡散は、ガスが開放領域に広がることを扱います。
グラハムの法則は数学的に次のように表現できます。
\( \frac{Rate_1}{Rate_2} = \sqrt{\frac{M_2}{M_1}} \)どこ：
この式は、ガスの流出速度がモル質量の平方根の逆数に正比例することを意味します。したがって、モル質量の低いガスは、モル質量の高いガスよりも速く流出します。
例 1:水素と酸素の比較。
水素 (H 2 ) と酸素 (O 2 ) のガスを考えてみましょう。水素のモル質量は約 2 g/mol で、酸素のモル質量は約 32 g/mol です。グラハムの法則を適用すると、次のようになります。
\( \frac{Rate_{H_2}}{Rate_{O_2}} = \sqrt{\frac{32}{2}} = \sqrt{16} = 4 \)これは、水素ガスが酸素ガスよりも 4 倍速く放出されることを意味します。
例2：香水の匂いの拡散。
香水を吹きかけると、その香りは部屋中にすぐに広がります。これは香水分子のモル質量が小さいため、グラハムの法則に従って、急速に空気中に拡散するからです。
グラハムの法則は、科学および産業プロセスにおいていくつかの実用的な応用があります。
グラハムの法則は気体の挙動に関する貴重な洞察を提供しますが、いくつかの制限があります。
このレッスンでは実験は行いませんが、グラハムの法則を実証する方法を理解しておくことは有益です。簡単な実験の 1 つは、ヘリウムと二酸化炭素など、異なるガスを充填した 2 つの風船を使用することです。これらの風船をガス放出装置に取り付けると、各ガスが風船から放出される速度を観察できます。各風船が収縮するのにかかる時間を測定することで、グラハムの法則の実際の動作を実証できます。
グラハムの流出の法則は、気体研究における基本原理です。この法則は、さまざまな気体が小さな開口部からどのように流出するかを明確に理解することを可能にし、科学技術のさまざまな分野で重要な応用があります。限界はあるものの、グラハムの法則は、気体や混合気体を扱う科学者やエンジニアにとって、今でも不可欠なツールです。
