9.5: Uharibifu na Ugawanyiko wa Gesi

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Kufafanua na kuelezea uharibifu na utbredningen
• Hali ya sheria Graham na kuitumia kukokotoa mali ya gesi husika

Ikiwa umewahi kuwa katika chumba wakati pizza ya moto ya kusambaza ilitolewa, umeelewa ukweli kwamba molekuli za gesi zinaweza kuenea haraka katika chumba, kama inavyothibitishwa na harufu nzuri ambayo hufikia pua yako. Ingawa molekuli za gesi zinasafiri kwa kasi kubwa (mamia ya mita kwa pili), zinagongana na molekuli nyingine za gesi na kusafiri kwa njia nyingi tofauti kabla ya kufikia lengo linalohitajika. Kwa joto la kawaida, molekuli ya gesi itapata mabilioni ya migongano kwa pili. Njia ya bure ya maana ni umbali wa wastani molekuli husafiri kati ya migongano. Njia ya bure ya maana huongezeka kwa shinikizo la kupungua; kwa ujumla, njia ya bure ya maana ya molekuli ya gesi itakuwa mara mamia ya kipenyo cha molekuli

Kwa ujumla, tunajua kwamba wakati sampuli ya gesi inapoletwa kwa sehemu moja ya chombo kilichofungwa, molekuli zake zinaenea haraka sana katika chombo; mchakato huu ambao molekuli hueneza katika nafasi katika kukabiliana na tofauti katika ukolezi huitwa utbredningen (inavyoonekana kwenye Mchoro 9. 27). Atomi za gesi au molekuli ni, bila shaka, hawajui gradient yoyote ya mkusanyiko, wao tu hoja randomly-mikoa ya mkusanyiko wa juu na chembe zaidi kuliko mikoa ya viwango vya chini, na hivyo harakati wavu wa aina kutoka maeneo ya juu hadi chini ukolezi unafanyika. Katika mazingira ya kufungwa, utbredningen hatimaye kusababisha viwango sawa ya gesi katika, kama inavyoonyeshwa katika Kielelezo 9.27. Atomi za gesi na molekuli zinaendelea kusonga, lakini kwa kuwa viwango vyao ni sawa katika balbu zote mbili, viwango vya uhamisho kati ya balbu ni sawa (hakuna uhamisho wa wavu wa molekuli hutokea).

Kielelezo 9.27 (a) Gesi mbili, H ₂ na O ₂, zimejitenga awali. (b) Wakati stopcock inafunguliwa, huchanganya pamoja. _{Gesi nyepesi, H 2, hupita kupitia ufunguzi kwa kasi zaidi kuliko O 2, hivyo tu baada ya kufunguliwa kwa stopcock, zaidi ya H 2 molekuli huhamia upande O 2 kuliko molekuli O 2 kuhamia upande H 2.} (c) Baada ya muda mfupi, molekuli za O ₂ zinazohamia polepole na molekuli za kasi za H ₂ zimegawanyika sawasawa pande zote mbili za chombo.

Mara nyingi tunavutiwa na kiwango cha kutenganishwa, kiasi cha gesi kinachopita eneo fulani kwa wakati wa kitengo:

$$\text{kiwango cha utbredningen}=\frac{\text{kiasi cha gesi inayopitia eneo}}{\text{kitengo cha wakati}}$$

Kiwango cha kutenganishwa kinategemea mambo kadhaa: joto; umati wa atomi au molekuli; gradient ya mkusanyiko (ongezeko au kupungua kwa mkusanyiko kutoka hatua moja hadi nyingine); kiasi cha eneo la uso linalopatikana kwa kutenganishwa; na umbali wa chembe za gesi zinapaswa kusafiri. Kumbuka pia kwamba muda unaohitajika kwa utbredningen kutokea ni inversely sawia na kiwango cha utbredningen, kama inavyoonekana katika kiwango cha utbredningen equation.

Mchakato unaohusisha harakati za aina za gesi zinazofanana na utbredningen ni effusion, kutoroka kwa molekuli za gesi kupitia shimo ndogo kama vile pinhole katika puto ndani ya utupu (Kielelezo 9.28). Ingawa viwango vya kutenganishwa na uharibifu wote hutegemea molekuli ya molar ya gesi inayohusika, viwango vyao si sawa; hata hivyo, uwiano wa viwango vyao ni sawa.

Kielelezo 9.28 Ugawaji unahusisha kutawanyika kwa molekuli isiyozuiliwa katika nafasi kutokana na mwendo wao wa random. Wakati mchakato huu umezuiwa kwa kifungu cha molekuli kupitia fursa ndogo sana katika kizuizi cha kimwili, mchakato huitwa effusion.

Ikiwa mchanganyiko wa gesi huwekwa kwenye chombo kilicho na kuta za porous, gesi hupitia kupitia fursa ndogo katika kuta. Gesi nyepesi hupita kupitia fursa ndogo kwa kasi zaidi (kwa kiwango cha juu) kuliko zile nzito (Mchoro 9.29). Mwaka 1832, Thomas Graham alisoma viwango vya uharibifu wa gesi tofauti na kuunda sheria ya Graham ya uharibifu: Kiwango cha effusion ya gesi ni inversely sawia na mizizi ya mraba ya wingi wa chembe zake:

$$\text{kiwango cha effusion}\propto \frac{1}{\sqrt{\text{ℳ}}}$$

Hii ina maana kwamba ikiwa gesi mbili A na B ziko kwenye joto sawa na shinikizo, uwiano wa viwango vyao vya uharibifu ni kinyume na uwiano wa mizizi ya mraba ya raia wa chembe zao:

$$\frac{\text{kiwango cha uharibifu wa A}}{\text{kiwango cha uharibifu wa B}}=\frac{\sqrt{{\text{ℳ}}_{\text{B}}}}{\sqrt{{\text{ℳ}}_{\text{A}}}}$$

Kielelezo 9.29 Picha ya kushoto inaonyesha balloons mbili zilizochangiwa na gesi tofauti, heliamu (machungwa) na argon (bluu) .Picha ya upande wa kulia inaonyesha balloons takriban masaa 12 baada ya kujazwa, wakati ambapo puto ya heliamu imekuwa wazi zaidi deflated kuliko puto ya argon, kutokana na kiwango kikubwa cha effusion ya gesi nyepesi ya heliamu. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Paulo Maua)

Mfano 9.20

Kutumia Sheria ya Graham kwa Viwango vya Effusion

Tumia uwiano wa kiwango cha uharibifu wa hidrojeni kwa kiwango cha effusion ya oksijeni.

Suluhisho

Kutokana na sheria ya Graham, tuna:

$$\frac{\text{kiwango cha effusion ya hidrojeni}}{\text{kiwango cha effusion ya oksijeni}}=\frac{\sqrt{32\sout{{\text{g mol}}^{\text{-1}}}}}{\sqrt{2\sout{{\text{g mol}}^{\text{-1}}}}}=\frac{\sqrt{16}}{\sqrt{1}}=\frac{4}{1}$$

Hidrojeni effuses mara nne kwa kasi kama oksijeni.

Angalia Kujifunza Yako

Kwa shinikizo fulani na joto, gesi ya nitrojeni inafuta kwa kiwango cha 79 ml/s Chini ya hali hiyo, kwa kiwango gani dioksidi ya sulfuri itafuta?

Jibu:

52 ml/s

Mfano 9.21

Effusion Muda Mahesabu

Inachukua 243 s kwa 4.46$\times$10 ^-5 mol Xe kwa effuse kupitia shimo vidogo. Chini ya hali hiyo, itachukua muda gani 4.46$\times$10 ^-5 mold Mpya kwa effuse?

Suluhisho

Ni muhimu kupinga majaribu ya kutumia nyakati moja kwa moja, na kukumbuka jinsi kiwango kinahusiana na wakati pamoja na jinsi inahusiana na wingi. Kumbuka ufafanuzi wa kiwango cha effusion:

$$\text{kiwango cha effusion}=\frac{\text{kiasi cha gesi kuhamishwa}}{\text{wakati}}$$

na kuchanganya na sheria ya Graham:

$$\frac{\text{kiwango cha effusion ya gesi Xe}}{\text{kiwango cha effusion ya gesi Ne}}=\frac{\sqrt{{\text{ℳ}}_{\text{Ne}}}}{\sqrt{{\text{ℳ}}_{\text{Xe}}}}$$

Ili kupata:

$$\frac{\frac{\text{kiasi cha Xe kuhamishwa}}{\text{muda kwa ajili ya Xe}}}{\frac{\text{kiasi cha Ne kuhamishwa}}{\text{muda kwa ajili ya Ne}}}=\frac{\sqrt{{\text{ℳ}}_{\text{Ne}}}}{\sqrt{{\text{ℳ}}_{\text{Xe}}}}$$

Akibainisha kuwa kiasi cha A = kiasi cha B, na kutatua kwa muda kwa Ne:

$$\frac{\frac{\sout{\text{kiasi cha Xe}}}{\text{muda kwa ajili ya Xe}}}{\frac{\sout{\text{kiasi cha Ne}}}{\text{muda kwa ajili ya Ne}}}=\frac{\text{muda kwa ajili ya Ne}}{\text{muda kwa ajili ya Xe}}=\frac{\sqrt{{\text{ℳ}}_{\text{Ne}}}}{\sqrt{{\text{ℳ}}_{\text{Xe}}}}=\frac{\sqrt{{\text{ℳ}}_{\text{Ne}}}}{\sqrt{{\text{ℳ}}_{\text{Xe}}}}$$

na maadili mbadala:

$$\frac{\text{muda kwa ajili ya Ne}}{243\text{s}}=\sqrt{\frac{20.2\sout{\text{g mol}}}{131.3\sout{\text{g mol}}}}=0.392$$

Hatimaye, tatua kwa kiasi kilichohitajika:

$$\text{muda kwa ajili ya Ne}=0.392\times 243\text{s}=95.3\text{s}$$

Kumbuka kuwa jibu hili ni la busara: Tangu Ne ni nyepesi kuliko Xe, kiwango cha uharibifu kwa Ne kitakuwa kikubwa zaidi kuliko ile kwa Xe, ambayo inamaanisha wakati wa kufuta kwa Ne itakuwa ndogo kuliko ile ya Xe.

Angalia Kujifunza Yako

chama puto kujazwa na heliamu deflates kwa$\frac{2}{3}$ya kiasi chake cha awali katika masaa 8.0. Itachukua muda gani puto inayofanana iliyojaa idadi sawa ya moles ya hewa (= 28.2 g/mol) ili kufuta$\frac{1}{2}$ya kiasi yake ya awali?

Jibu:

32 h

Mfano 9.22

Kuamua Misa ya Molar Kutumia Sheria ya Graham

Gesi isiyojulikana inafuta mara 1.66 kwa kasi zaidi kuliko CO ₂. Masi ya molar ya gesi haijulikani ni nini? Je, unaweza kufanya nadhani nzuri kama utambulisho wake?

Suluhisho

Kutokana na sheria ya Graham, tuna:

$$\frac{\text{kiwango cha uharibifu wa Unknown}}{{\text{kiwango cha uharibifu wa CO}}_2}=\frac{\sqrt{{\text{ℳ}}_{{\text{USHIRIKIANO}}_2}}}{\sqrt{{\text{ℳ}}_{Unknown}}}$$

Weka data inayojulikana:

$$\frac{1.66}{1}=\frac{\sqrt{44.0\text{g/mol}}}{\sqrt{{\text{ℳ}}_{Unknown}}}$$

Kutatua:

$${\text{ℳ}}_{Unknown}=\frac{44.0\text{g/mol}}{{(1.66)}^2}=16.0\text{g/mol}$$

Gesi inaweza kuwa CH ₄, gesi pekee yenye molekuli hii ya molar.

Angalia Kujifunza Yako

Gesi ya hidrojeni hupitia chombo cha porous mara 8.97 kwa kasi zaidi kuliko gesi isiyojulikana. Tathmini ya molekuli ya molar ya gesi isiyojulikana.

Jibu:

163 g/mol

Jinsi Sayansi Kuunganisha

Matumizi ya Kutenganishwa kwa Maombi ya Nishati ya Nyuklia:

Usambazaji wa gesi umetumika kuzalisha uranium yenye utajiri kwa ajili ya matumizi katika mitambo ya nguvu za nyuklia na silaha. Uranium inayotokea kwa kawaida ina 0.72% tu ya ²³⁵ U, aina ya uranium ambayo ni “fissile,” yaani, uwezo wa kudumisha mmenyuko wa mnyororo wa nyuklia. Mitambo ya nyuklia yanahitaji mafuta yaani 2— 5% ²³⁵ U, na mabomu ya nyuklia yanahitaji viwango vya juu zaidi. Njia moja ya kuimarisha uranium kwa viwango vinavyotakiwa ni kuchukua faida ya sheria ya Graham. Katika gesi utbredningen utajiri kupanda uranium hexafluoride (UF ₆, tu uranium kiwanja ambayo ni tete ya kutosha kufanya kazi) polepole pumped kupitia vyombo kubwa cylindrical aitwaye diffusers, ambayo yana vikwazo porous na fursa microscopic. Mchakato huo ni moja ya kutenganishwa kwa sababu upande mwingine wa kizuizi haukuhamishwa. Molekuli ²³⁵ UF ₆ zina kasi ya juu ya wastani na huenea kupitia kizuizi kwa kasi kidogo kuliko molekuli nzito ²³⁸ UF ₆. Gesi ambayo imepita kupitia kizuizi ni utajiri kidogo katika ²³⁵ UF ₆ na gesi iliyobaki imepungua kidogo. Tofauti ndogo katika uzito wa Masi kati ya ²³⁵ UF ₆ na ²³⁸ UF ₆ tu kuhusu utajiri wa 0.4%, hupatikana katika diffuser moja (Mchoro 9.30). Lakini kwa kuunganisha diffusers wengi katika mlolongo wa hatua (inayoitwa cascade), kiwango cha taka cha utajiri kinaweza kupatikana.

Kielelezo 9.30 Katika diffuser, gesi UF ₆ hupigwa kupitia kizuizi cha porous, ambacho hutenganisha sehemu ²³⁵ UF ₆ kutoka ²³⁸ UF ₆ UF ₆ inapaswa kupitisha vitengo vingi vya diffuser kwa kufikia utajiri wa kutosha katika ²³⁵ U.

_{Mgawanyiko mkubwa wa gesi ²³⁵ UF 6 kutoka ²³⁸ UF 6 ulifanyika kwanza wakati wa Vita Kuu ya II, katika ufungaji wa nishati ya atomiki huko Oak Ridge, Tennessee, kama sehemu ya Mradi wa Manhattan (maendeleo ya bomu la kwanza la atomiki).} Ingawa nadharia ni rahisi, hii ilihitaji kushinda changamoto nyingi za kiufundi za kutisha ili kuifanya kazi katika mazoezi. Kizuizi lazima kiwe na mashimo madogo, sare (takriban 10 ^—6 cm mduara) na kuwa porous kutosha kuzalisha viwango vya juu vya mtiririko. Vifaa vyote (kizuizi, tubing, mipako ya uso, mafuta, na gaskets) haja ya kuwa na uwezo wa kuwa na uwezo wa kuwa na, lakini si kuguswa na, yenye tendaji na babuzi UF ₆.

Kwa sababu gesi utbredningen mimea zinahitaji kiasi kikubwa sana cha nishati (compress gesi na shinikizo kubwa required na gari kwa njia ya diffuser cascade, kuondoa joto zinazozalishwa wakati compression, na kadhalika), sasa ni kubadilishwa na teknolojia ya gesi centrifuge, ambayo inahitaji nishati mbali kidogo. Suala la sasa la kisiasa la moto ni jinsi ya kukataa teknolojia hii kwa Iran, ili kuizuia kuzalisha uranium yenye utajiri wa kutosha ili waweze kutumia kutengeneza silaha za nyuklia.