Back to the topics list

закон грем

Закон ефузії Грехема

Закон Грема про ефузію — це принцип, який описує поведінку газів, коли вони виходять через крихітний отвір, відомий як ефузія. Цей закон був сформульований шотландським хіміком Томасом Грехемом у 1848 році. Закон Грехема пояснює, як швидкість витікання газу обернено пропорційна квадратному кореню з його молярної маси. Це означає, що легші гази виділяються швидше, ніж більш важкі.

Розуміння ефузії

Ефузія – це процес, коли молекули газу виходять із контейнера через невеликий отвір у вакуум. Ефузію не слід плутати з дифузією, тобто поширенням молекул газу в просторі, доки вони не розподіляться рівномірно. Ефузія зосереджена на русі газу через бар'єр, тоді як дифузія має справу з поширенням газу у відкритій місцевості.

Формулювання закону Грема

Математично закон Грема можна виразити так:

Де:

• Rate_1 і Rate_2 — це швидкості витікання газу 1 і газу 2 відповідно.
• M_1 і M_2 — молярні маси газу 1 і газу 2 відповідно.

Це рівняння означає, що швидкість витікання газу прямо пропорційна до квадратного кореня з його молярної маси. Таким чином, газ з меншою молярною масою виділяється швидше, ніж газ з більшою молярною масою.

Приклади закону Грема

Приклад 1: Порівняння водню та кисню.

Розглянемо гази водень (H ₂ ) і кисень (O ₂ ). Водень має молярну масу приблизно 2 г/моль, а кисень — приблизно 32 г/моль. Застосовуючи закон Грема:

Це означає, що водень виділяється в чотири рази швидше, ніж кисень.

Приклад 2: Поширення запаху духів.

Коли ви розпилюєте духи, запах швидко поширюється по кімнаті. Це пов’язано з малою молярною масою молекул парфумів, що дозволяє їм швидко витікати в повітря відповідно до закону Грема.

Застосування закону Грема

Закон Грема має декілька практичних застосувань у наукових і промислових процесах:

• Розділення газів: Закон Грема можна використовувати для розділення газів різної молярної маси, дозволяючи їм витікати через пористу мембрану з різною швидкістю.
• Виявлення витоків: Виявлення витоків у вакуумних системах можна здійснити, спостерігаючи за швидкістю витоку газу, наприклад гелію, який відомий своєю високою швидкістю витоку через низьку молярну масу.
• Аналітична хімія: у мас-спектрометрії закон Грема використовується для розділення іонів на основі співвідношення їх маси до заряду, опосередковано застосовуючи принцип, що легші частинки рухаються швидше.

Обмеження закону Грема

Хоча закон Грема дає цінну інформацію про поведінку газів, він має деякі обмеження:

• Закон Грема передбачає, що молекули газу не взаємодіють одна з одною, що не завжди вірно в реальних ситуаціях.
• Закон найбільш точний для газів під низьким тиском, де взаємодії між молекулами газу мінімальні.
• При високих тисках або у випадках газових сумішей можливі відхилення від закону Грема через складність взаємодії газів.

Експериментальна демонстрація закону Грема

Хоча цей урок не передбачає проведення експериментів, корисно зрозуміти, як можна продемонструвати закон Грема. Один простий експеримент передбачає використання двох повітряних кульок, наповнених різними газами, наприклад гелієм для однієї та вуглекислим газом для іншої. Приєднавши ці повітряні кулі до апарату для випромінювання газу, можна спостерігати швидкість, з якою кожен газ виходить із повітряної кулі. Вимірювання часу, необхідного для здування кожної повітряної кулі, може забезпечити практичну демонстрацію закону Грема в дії.

Висновок

Закон ефузії Грема є фундаментальним принципом у вивченні газів. Він забезпечує чітке розуміння того, як різні гази витікають через невеликі отвори, і має важливе застосування в різних галузях науки та техніки. Незважаючи на свої обмеження, закон Грема залишається важливим інструментом для вчених та інженерів, які працюють з газами та газовими сумішами.