Molekul gas sentiasa bergerak dengan pelbagai halaju. Pada suhu yang sama, purata tenaga kinetik translasi molekul gas adalah sama, tetapi molekul yang berjisim lebih kecil mempunyai halaju tipikal yang lebih tinggi. Perbezaan ini menghasilkan satu hubungan mudah bagi efusi gas.
Efusi ialah aliran gas melalui lubang yang sangat kecil
Efusi berlaku apabila molekul gas keluar melalui bukaan yang sangat kecil, iaitu bukaan yang diameternya jauh lebih kecil daripada laluan bebas min molekul, sehingga molekul melalui bukaan secara individu dan perlanggaran di sekitar bukaan tidak mendominasi aliran. Dalam eksperimen, gas biasanya mengalir ke kawasan bertekanan lebih rendah, tetapi syarat utamanya ialah saiz bukaan berbanding laluan bebas min. Ia berbeza daripada difusi, iaitu penyebaran akibat gerakan rawak dan perlanggaran molekul dalam ruang yang dikongsi.
Kadar efusi berkadar songsang dengan punca kuasa dua jisim molar
Bagi gas ideal pada suhu yang sama, hukum Graham menyatakan kadar ∝ 1/√M, dengan M ialah jisim molar gas. Jika dua gas A dan B dibandingkan pada keadaan yang setara, nisbah kadar efusi ialah rA/rB = √(MB/MA). Maka gas dengan jisim molar lebih kecil mempunyai kadar efusi lebih tinggi.
Hubungan punca kuasa dua datang daripada gerakan molekul
Teori kinetik gas memberikan skala halaju molekul yang berkadar dengan √(T/M). Pada suhu sama, faktor T adalah sama bagi kedua-dua gas, jadi gas yang lebih ringan mempunyai halaju ciri lebih tinggi. Lebih banyak molekulnya boleh melintasi lubang kecil dalam selang masa tertentu, lalu kadar efusi meningkat.
Hukum Graham meramal nisbah, bukan masa mutlak tanpa maklumat tambahan
Jika gas A mempunyai jisim molar 4 g/mol dan gas B 36 g/mol, rA/rB = √(36/4) = 3. Di bawah syarat model yang sama, A mengalami efusi kira-kira tiga kali lebih pantas daripada B. Namun hukum ini sahaja tidak menentukan berapa liter sesaat yang keluar kerana kadar mutlak turut memerlukan maklumat geometri bukaan, tekanan dan keadaan eksperimen.
Sejarah ringkas Thomas Graham
Ahli kimia Scotland, Thomas Graham, mengkaji pergerakan gas pada awal abad ke-19 dan menerbitkan kajian penting tentang difusi gas pada 1833, iaitu On the law of the diffusion of gases, dan kemudian mengembangkan kajian gerakan gas, termasuk efusi. Beliau mendapati bahawa gas yang lebih ringan bergerak keluar atau menyebar lebih pantas daripada gas yang lebih berat. Hubungan punca kuasa dua songsang itu kemudian diterangkan oleh teori kinetik gas.
Contoh kuantitatif untuk efusi: helium dan argon
Bagi efusi melalui bukaan kecil dalam rejim molekul pada suhu yang sama, helium (kira-kira 4.00 g/mol) dan argon (kira-kira 39.95 g/mol) memberikan rHe/rAr = √(39.95/4.00) ≈ 3.16. Maka helium mengalami efusi kira-kira tiga kali lebih pantas daripada argon, dan perbandingan ini sah dengan baik kerana kedua-dua gas hampir ideal dan syarat bukaan kecil dipenuhi.
Satu demonstrasi kualitatif tentang difusi: ammonia dan hidrogen klorida
Dalam demonstrasi yang lazim, kapas yang dibasahi larutan ammonia (NH3, kira-kira 17 g/mol) dan kapas yang dibasahi asid hidroklorik (gas HCl, kira-kira 36.5 g/mol) diletakkan pada dua hujung tiub kaca yang panjang. Cincin putih ammonium klorida terbentuk di tempat kedua-dua wap bertemu, dan cincin itu terletak lebih dekat dengan hujung HCl. Ini menunjukkan secara kualitatif bahawa ammonia yang lebih ringan bergerak melalui udara dengan lebih cepat.
Demonstrasi ini melibatkan difusi dalam udara, bukan efusi melalui bukaan kecil. Molekul sentiasa berlanggar dengan molekul udara, dan kelajuan penyebaran juga bergantung pada pekali difusi campuran gas. Oleh itu nisbah jarak yang diukur tidak patut dianggap ujian tepat bagi formula Graham, dan contoh ini hanya menunjukkan arah perbezaan yang betul.
Difusi dalam gas nyata boleh lebih rumit
Hukum Graham sering diperkenalkan bersama difusi kerana kedua-duanya berkait dengan gerakan molekul, tetapi difusi dalam campuran nyata melibatkan perlanggaran antara spesies, kepekatan, tekanan dan pekali difusi. Oleh itu hubungan punca kuasa dua jisim molar paling bersih digunakan untuk perbandingan efusi dalam keadaan yang memenuhi andaian model.
Andaian ideal menentukan ketepatan hukum
Hubungan mudah ini menganggap perbandingan pada suhu yang sama dan tingkah laku gas yang hampir ideal. Jika gas berinteraksi kuat, bukaan terlalu besar sehingga aliran pukal berlaku, atau keadaan tekanan dan suhu berbeza dengan ketara, model perlu diperhalus.
Bagaimana kita mengetahui hal ini?
Apakah ramalan hukum Graham bagi dua gas pada suhu yang sama?