Законы Грэхема

Мы уже упоминали, что газ или пар не имеют ни определенного объема, ни формы. При их помещении в сосуд они равномерно распределяются по всему объему сосуда. Этот процесс называется диффузией. Скорость диффузии двух газов можно сопоставить, измеряя время, которое необходимо, чтобы одинаковый объем каждого газа продиффундировал через пористую поверхность при одинаковых условиях. Грэхем установил, что легкие газы диффундируют через пористые поверхности быстрее, чем тяжелые газы. В 1833 г. он сформулировал свои наблюдения в виде следующего закона: скорость диффузии газа обратно пропорциональна квадратному корню из его плотности. Это утверждение называется законом диффузии Грэхема. В математической форме он записывается так:

где г-скорость диффузии, а d-плотность газа. Отношение скоростей диффузии двух газов а и Ь, диффундирующих при одинаковых условиях, определяется выражением

Из уравнения (6) видно, что при одинаковых для газов а и b условиях (температуре и давлении) плотность газа пропорциональна его молярной массе. Следовательно,

Поскольку скорость диффузии газа обратно пропорциональна времени, которое необходимо для его диффузии, нетрудно получить следующее выражение:

Атмолиз

Так называется разделение двух газов, имеющих неодинаковую плотность, при помощи диффузии. Атмолиз используется, например, для разделения изотопов урана. Природный уран представляет собой изотопную смесь из 0,7% 235U и 99,3% 238U. Первый изотоп используется для изготовления атомных бомб и ядерного горючего на атомных электростанциях (см. гл. 1). Чтобы разделить два изотопа природного урана, заставляют диффундировать их летучие гексафториды UF6 через пористую перегородку. Отношение плотностей этих двух гексафторидов равно 349:352. Более легкий гексафторид 235UF6 диффундирует в 1,004 раза быстрее, чем гексафторид другого изотопа. Поэтому смесь газов, пропущенная через пористую перегородку, оказывается обогащенной гексафторидом 235UF6. Чтобы достичь значительного обогащения газовой смеси необходимым изотопом, приходится повторять эту процедуру тысячи раз.

Эффузия. Эффузией называется истечение газа через очень узкое отверстие в сосуде. Хотя этот процесс имеет много общего с диффузией, их необходимо различать (рис. 3.6). Изучая скорость эффузии газов, Грэхем установил, что относительная скорость эффузии различных газов при одинаковых условиях обратно пропорциональна квадратному корню из их плотности. Этот закон эффузии Грэхема совершенно аналогичен его закону диффузии.

Применение закона эффузии позволило определить относительную молекулярную массу озона O3, который нельзя получить в чистом виде.