Định luật Graham thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ tràn hoặc khuếch tán của chất khí và khối lượng phân tử của chất khí đó. Khuếch tán mô tả sự lan truyền của chất khí qua một thể tích hoặc chất khí thứ hai, và sự tràn dịch mô tả sự chuyển động của chất khí qua một lỗ nhỏ vào một khoang mở.
Năm 1829, nhà hóa học người Scotland Thomas Graham xác định thông qua thí nghiệm rằng tốc độ tràn khí tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của mật độ của các hạt khí. Năm 1848, ông chỉ ra rằng tốc độ tràn của một chất khí cũng tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của khối lượng mol của nó. Định luật Graham cũng chỉ ra rằng động năng của các chất khí bằng nhau ở cùng nhiệt độ.
Công thức định luật Graham
Định luật Graham phát biểu rằng tốc độ khuếch tán hoặc tràn ra của một chất khí tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của khối lượng mol của nó. Xem định luật này ở dạng phương trình bên dưới.
r ∝ 1/(M) ½
hoặc
r(M) ½ = hằng số
Trong các phương trình này, r = tốc độ khuếch tán hoặc tràn dịch và M = khối lượng phân tử.
Nói chung, định luật này được sử dụng để so sánh sự khác biệt về tốc độ khuếch tán và tốc độ tràn giữa các khí, thường được gọi là Khí A và Khí B. Nhiệt độ và áp suất được coi là không đổi và tương đương giữa hai loại khí. Khi định luật Graham được sử dụng để so sánh như vậy, công thức được viết như sau:
r Khí A /r Khí B = (M Khí B ) ½ /(M Khí A ) ½
vấn đề ví dụ
Một ứng dụng của định luật Graham là xác định một loại khí sẽ rò rỉ nhanh như thế nào so với loại khí khác và định lượng sự khác biệt về tốc độ. Ví dụ: nếu bạn muốn so sánh tốc độ tràn của khí hydro (H 2 ) và khí oxy (O 2 ), bạn có thể sử dụng khối lượng mol của chúng (hydro = 2 và oxy = 32) và liên hệ chúng theo chiều nghịch.
Phương trình so sánh tốc độ tràn dịch: Tỷ lệ H 2 / Tỷ lệ O 2 = 32 1/2 / 2 1/2 = 16 1/2 / 1 1/2 = 4/1
Phương trình này cho thấy các phân tử hydro tràn ra nhanh hơn bốn lần so với các phân tử oxy.
Một dạng bài toán định luật Graham khác có thể yêu cầu bạn tìm trọng lượng phân tử của một chất khí nếu bạn biết đặc điểm nhận dạng của nó và tỷ lệ tràn giữa hai chất khí khác nhau.
Phương trình tìm khối lượng phân tử: M 2 = M 1 Tỷ lệ 1 2 / Tỷ lệ 2 2
làm giàu uranium
Một ứng dụng thực tế khác của định luật Graham là làm giàu uranium . Uranium tự nhiên bao gồm hỗn hợp các đồng vị có khối lượng hơi khác nhau. Trong quá trình thoát khí, quặng uranium trước tiên được chuyển thành khí uranium hexaflorua và sau đó liên tục tràn qua một chất xốp. Qua mỗi lần tràn, vật liệu đi qua các lỗ rỗng sẽ tập trung nhiều hơn ở U-235 (đồng vị được sử dụng để tạo ra năng lượng hạt nhân) vì đồng vị này khuếch tán với tốc độ nhanh hơn so với U-238 nặng hơn.
