Difusión versus efusión
La difusión es el movimiento de partículas a través de un gradiente de concentración. Cuando las partículas se difunden, se mueven de una región de mayor concentración a una región de menor concentración. La difusión provoca la dispersión de moléculas entre sí en el espacio sin barrera y puede ocurrir en sustancias en forma líquida o gaseosa. La velocidad de difusión depende del tamaño de las moléculas y de la energía cinética de las moléculas. Un ejemplo de difusión ocurre cuando puedes oler un lote de galletas horneándose. Algunas de las moléculas de las galletas entran al aire y se difunden desde áreas más concentradas, como la cocina, a áreas menos concentradas, como el pasillo.
La efusión es el proceso por el cual las moléculas de gas escapan a través de una pequeña abertura. Un gradiente de concentración a través de una barrera semipermeable hace que las moléculas viajen a favor del gradiente de concentración a través de la barrera. Un ejemplo de esto ocurre en un globo de helio que se deja fuera durante varios días. Las moléculas de helio cruzan lentamente la barrera de goma hacia el aire, y las moléculas de oxígeno y nitrógeno del aire ingresan al interior del globo. El proceso por el cual esas moléculas atraviesan la barrera de caucho se llama derrame.
La teoría cinética molecular es la idea de que la materia está hecha de partículas invisibles en movimiento. La teoría explica que las partículas están en constante movimiento aleatorio y chocan elásticamente entre sí y con las paredes de su recipiente. La teoría cinética molecular supone que las partículas de gas no ejercen ninguna fuerza de atracción entre sí ni sobre sus alrededores, y que estas moléculas de gas están en constante movimiento rápido.
Se puede encontrar un ejemplo de teoría cinética molecular cuando se llevan flores frescas a una habitación. El olor se extiende rápidamente por la habitación. Esto se debe a que algunas de las fragantes moléculas de las flores se vaporizan y, debido a que se mueven tan rápidamente, cruzan rápidamente la habitación. Como resultado, las flores se pueden oler a muchos metros de distancia en segundos.
Diferencia entre difusión y derrame
Las diferencias y similitudes entre difusión y derrame se describen a continuación.
¿Qué es la Ley de Stefan-Boltzmann?
| Difusión | Efusión | |
|---|---|---|
| Camino | La difusión describe el movimiento de átomos o moléculas a través de un camino libre. | La efusión ocurre cuando un gas pasa a través de una abertura que es más pequeña que el camino libre de la partícula. |
| Degradado | La difusión se produce a favor de un gradiente de concentración. | El derrame se produce a favor de un gradiente de concentración. |
| Efecto de la energía cinética. | Aumenta la tasa de difusión. | Aumenta la tasa de derrame |
| Efecto de la masa de partículas | Disminuye la tasa de difusión. | Disminuye la tasa de derrame |
¿Qué es la ley de Graham?
La ley de Graham establece que la velocidad de efusión de una sustancia gaseosa es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su masa molar. Además, la ley establece que la relación entre las velocidades de efusión de dos gases es la raíz cuadrada de la relación inversa de sus masas molares. La ley de Graham se deriva del conocimiento de que la velocidad de derrame está directamente relacionada con el movimiento molecular de cada sustancia. A temperatura constante, el movimiento molecular está relacionado con la energía cinética (KE) de una sustancia. Además, los gases a la misma temperatura tienen la misma energía cinética. La derivación de la ley de Graham se muestra a continuación.
La ecuación de la energía cinética es {eq}KE = \frac{1}{2}mv^2 {/eq}. Los KE de dos gases son equivalentes si están a temperatura constante. En la siguiente ecuación, M es masa, N son moles, v es velocidad y A y B se refieren a gases de las especies A y B. La abreviatura rms es la abreviatura de media cuadrática, un método para calcular la velocidad promedio.
{eq}KE = \frac{1}{2} \frac{M_A}{N_A} v^2_{rms,A} = \frac{1}{2} \frac{M_B}{N_B} v^2_{ valor eficaz, B} {/eq}
Esto se puede simplificar a
{eq}\frac{v_{rms, B }}{v_{rms, A}} = \sqrt{\frac{M_A}{M_B}} {/eq}.
¿Qué es la Ley de Hess en Termodinámica?
Ejemplo 1: Ley de efusión de Graham
Un ejemplo común de la ley de derrame de Graham ocurre cuando se deja un globo de helio en una habitación durante varios días. Inicialmente, el globo está lleno del gas menos denso helio, lo que hace que flote hasta el techo de la habitación, que contiene los gases más densos nitrógeno y oxígeno. Después de unos días, el gas helio sale a través de pequeños agujeros en el globo de goma, y el nitrógeno y el oxígeno salen en dirección opuesta. Se puede ver que el globo está menos inflado después de unos días. Esto se debe a que la velocidad de efusión de la molécula de helio, con la masa molar más baja, es mayor que la velocidad de efusión de las moléculas con masas molares más altas, oxígeno y nitrógeno.
Ejemplo 2: uso de la fórmula de efusión
Si el gas nitrógeno se difunde a una velocidad de 10 moles por segundo, ¿a qué velocidad se difunde el dióxido de carbono en las mismas condiciones? La masa molar del gas nitrógeno es 28 uma y la masa molar del gas dióxido de carbono es 44 uma.
Solución:
La tasa de difusión se puede calcular utilizando la fórmula de derrame.
{eq}\frac{v_{rms, B }}{v_{rms, A}} = \sqrt{\frac{M_A}{M_B}} {/eq}
Ley de Proximidad Vs Ley de Contraste: Diferencias y Ejemplos
Dado que la velocidad cuadrática media es directamente proporcional a la tasa de derrame, esta ecuación se puede reescribir para resolver la tasa.
{eq}\frac{rate_B}{rate_A} = \sqrt{\frac{M_A}{M_B}} {/eq}
Sea el nitrógeno (N2) la sustancia A y el dióxido de carbono (CO2) la sustancia B.
{eq}\frac{tasa_ {CO2}}{tasa_ {N2}} = \sqrt{\frac{M_ {N2}}{M_ {CO2}}} {/eq}
Al multiplicar cada lado por la tasa de difusión de N2, se aísla la tasa de difusión de CO2. Los valores se ingresan para resolver la tasa.
{eq}tasa_ {CO2} = \sqrt{\frac{M_ {N2}}{M_ {CO2}}} \cdot tasa_ {N2} {/eq}
{eq}tasa_{CO2} = \sqrt{\frac{28 uma}{44 uma}} \cdot 10 mol/s = 7,98 mol/s {/eq} La velocidad de efusión de dióxido de carbono es 7,98 mol/s.
Ejemplo 3: Ley de difusión de Graham
Un ejemplo de la ley de difusión de Graham ocurre cada vez que alguien huele algo a una distancia significativa de su fuente. Por ejemplo, John puede oler una cafetería o una panadería cuando pasa, incluso en un día sin viento. Esto se debe a que las moléculas vaporizadas del café y los productos horneados se extienden naturalmente desde su fuente desde un área de alta concentración en la tienda a un área de menor concentración fuera de la tienda.
Ejemplo 4: uso de la fórmula de velocidad de difusión
El sulfuro de hidrógeno de los huevos podridos provoca un olor fuerte, al igual que el hipoclorito de sodio, el ingrediente activo de la lejía. Si se abrieran contenedores del mismo tamaño de cada uno a 2 metros de distancia de Helen, ¿cuál olería primero? ¿Cuántas veces más tardaría en oler el segundo olor que el primero? La masa molar del sulfuro de hidrógeno es 34,1 uma y la masa molar del hipoclorito de sodio es 74,44 uma.
Solución:
Dado que los gases de sulfuro de hidrógeno y lejía están a la misma temperatura, la sustancia con menor peso molecular viajará más rápido. Por lo tanto, Helen olería primero el sulfuro de hidrógeno.
Dado que la velocidad de difusión relativa depende principalmente de la velocidad molecular, las velocidades relativas se calculan utilizando la ley de Graham. Esta fórmula se llama fórmula de difusión. Sea el sulfuro de hidrógeno la sustancia A y el hipoclorito de sodio la sustancia B.
{eq}\frac{v_{B, rms}}{rate_{A, rms}} = \sqrt{\frac{M_A}{M_B}} {/eq}
{eq}\frac{v_{B, rms}}{rate_{A, rms}} = \sqrt{\frac{74,44 uma}{34,1 uma}} = 1,48 {/eq}
Respuesta: El olor a lejía tardará 1,48 veces más en llegar a Helen.
Resumen de la lección
La efusión describe moléculas de gas que escapan a través de una pequeña abertura, mientras que la difusión describe moléculas de líquido o gas que se extienden y se mezclan sin fuerzas externas. Un ejemplo de derrame es la fuga de aire de un neumático. Un ejemplo de difusión ocurre cuando se agrega una solución de agua salada a agua pura y se dispersa uniformemente si se le da el tiempo suficiente. La teoría cinética molecular establece que las moléculas de gas están en constante movimiento rápido, chocan elásticamente y tienen una fuerza de atracción y repulsión mínima entre sí.
La ley de Graham establece que la velocidad de derrame es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la masa de una sustancia química gaseosa. Como tal, las moléculas con mayor peso molecular se difunden más lentamente que aquellas con menor peso molecular. La fórmula del derrame es:
{eq}\frac{rate_B}{rate_A} = \sqrt{\frac{M_A}{M_B}} {/eq},
donde A y B son especies químicas gaseosas y M es la masa. Esta fórmula se utiliza a menudo para determinar una tasa de derrame desconocida si se conoce una tasa de derrame. En las mismas condiciones, las moléculas de gas o de líquido se difunden a una velocidad inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su masa. La velocidad de difusión relativa de dos sustancias en la misma fase en las mismas condiciones viene dada por la fórmula de difusión:
{eq}\frac{rate_B}{rate_A} = \sqrt{\frac{M_A}{M_B}} {/eq}, donde A y B son especies químicas de la misma fase, que se difunden en las mismas condiciones, y M es masa. Esta fórmula es idéntica a la fórmula de efusión, pero se aplica a la difusión en lugar de a la efusión.
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