Grahamův vzorec pro difúzi a efuzi

Grahamův zákon vyjadřuje vztah mezi mírou výtok nebo difúze plynu a toho plynu molární hmotnost. Difúze popisuje šíření plynu v celém objemu nebo druhém plynu a výtok popisuje pohyb plynu malým otvorem do otevřené komory.

V 1829, skotský chemik Thomas Graham určil experimentováním, že rychlost výtoku plynu je nepřímo úměrné na druhou odmocninu hustoty částic plynu. V roce 1848 ukázal, že rychlost vypouštění plynu je také nepřímo úměrná druhé odmocnině jeho molární hmotnosti. Grahamův zákon také ukazuje, že kinetické energie plynů jsou stejné při stejné teplotě.

Grahamův zákon uvádí, že míra difúze nebo výpotku plynu je nepřímo úměrná druhé odmocnině jeho molární hmotnosti. Viz tento zákon ve formě rovnice níže.

r ∝ 1 / (M)^½

nebo

r (M)^½ = konstantní

V těchto rovnicích r = rychlost difúze nebo výtoku a M = molární hmotnost.

Obecně se tento zákon používá k porovnání rozdílů v rychlosti difúze a výtoku mezi plyny, často označovaných jako plyn A a plyn B. Předpokládá, že teplota a tlak jsou mezi oběma plyny konstantní a rovnocenné. Když Grahamův zákon je používán pro takové srovnání, vzorec je psán takto:

r_{Plyn A}/ r_{Plyn B} = (M_{Plyn B})^½/(M_{Plyn A})^½

Jednou z aplikací Grahamova zákona je určit, jak rychle se plyn vytekne ve vztahu k jinému, a kvantifikovat rozdíl v rychlosti. Například, pokud chcete porovnat rychlosti výtoku vodíku (H₂) a plynný kyslík (O₂), můžete použít jejich molární hmotnosti (vodík = 2 a kyslík = 32) a vztahovat je inverzně.

Rovnice pro porovnání rychlosti výtoku: rychlost H₂/ rychlost O₂ = 32^1/2 / 2^1/2 = 16^1/2 / 1^1/2 = 4/1

Tato rovnice ukazuje, že molekuly vodíku se vypouštějí čtyřikrát rychleji než molekuly kyslíku.

Jiný typ Grahamova právního problému vás může požádat o nalezení molekulové hmotnosti plynu, pokud znáte jeho identitu a poměr výtoku mezi dvěma různými plyny.

Rovnice pro nalezení molekulové hmotnosti: M₂ = M₁Hodnotit₁² / Sazba₂²

Další praktické použití Grahamova zákona je uran obohacení. Přírodní uran se skládá ze směsi izotopů s mírně odlišnými hmotami. Při plynném výtoku se uranová ruda nejprve zpracovává na plynný hexafluorid uranu, poté se opakovaně vypouští porézní látkou. Prostřednictvím každého výtoku se materiál procházející póry více koncentruje v U-235 ( izotop používaný k výrobě jaderné energie), protože tento izotop se šíří rychleji než těžší U-238.