डिफ्यूजन और इफ्यूजन के लिए ग्राहम के फॉर्मूला की पूरी गाइड

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प्रसार और प्रवाह दो संबंधित प्रक्रियाएं हैं जो हमें आणविक स्तर पर सामान्य रूप से गैसों और पदार्थ के व्यवहार को समझने की अनुमति देती हैं। इफ्यूजन काफी हद तक ग्राहम के कानून द्वारा नियंत्रित होता है, लेकिन यह प्रसार प्रक्रिया के पर्याप्त (यद्यपि अनुमानित) विवरण की भी अनुमति देता है, एक मॉडल प्रदान करता है जो बताता है कि कुछ गैसें दूसरों की तुलना में अधिक तेजी से क्यों फैलती हैं।

प्रसार क्या है?

प्रसार उनकी एकाग्रता ढाल के बाद अंतरिक्ष के माध्यम से कणों की गति है । कहने का तात्पर्य यह है कि यह किसी भी प्रकार के कण के विस्थापन के बारे में है, चाहे वह गैस हो या विलयन में विलेय, एक ऐसे क्षेत्र से जहां इसकी सांद्रता अधिक होती है, जहां इसकी सांद्रता कम होती है। रसायन विज्ञान, भौतिकी और जीव विज्ञान सहित कई वैज्ञानिक संदर्भों में प्रसार बहुत महत्व की प्रक्रिया है।

बहाव क्या है?

उत्प्रवाह वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा गैस एक डिब्बे या कंटेनर से दूसरे में एक छोटे छेद या छिद्र के माध्यम से गुजरती है । प्रक्रिया को एक बहिर्वाह माना जाने के लिए, छेद का व्यास गैस कण के औसत मुक्त पथ से काफी कम होना चाहिए। यह औसत पथ उस औसत दूरी को संदर्भित करता है जो तापमान और दबाव की दी गई शर्तों के तहत एक कण दूसरे कण से टकराए बिना एक सीधी रेखा में यात्रा कर सकता है।

इफ्यूजन वह प्रक्रिया है, जिसके द्वारा, उदाहरण के लिए, एक हीलियम से भरा गुब्बारा समय के साथ अनायास ही विक्षेपित हो जाता है, या जिसके द्वारा एक सीलबंद शीतल पेय सीलबंद होने के बावजूद कुछ वर्षों के बाद अपने लगभग सभी कार्बन डाइऑक्साइड को खो देता है।

ग्राहम का बहाव का नियम

स्कॉटिश भौतिक विज्ञानी थॉमस ग्राहम ने 1846 में प्रवाह प्रक्रिया का अध्ययन किया और प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित किया कि किसी भी गैस के बहाव की दर उसके कणों के द्रव्यमान के वर्गमूल के व्युत्क्रमानुपाती होती है। इसे इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:

प्रसार और प्रवाह के लिए ग्राहम का सूत्र

जहां आर एक छोटे से छेद या छिद्र के माध्यम से प्रवाह की दर का प्रतिनिधित्व करता है और एमएम गैस के दाढ़ द्रव्यमान से मेल खाता है (अक्षर आर अंग्रेजी में दर के लिए खड़ा है, जिसे दर कहा जाता है )। आनुपातिकता के इस नियम को ग्राहम के नियम या प्रवाह के समीकरण के रूप में जाना जाता है, हालाँकि इसे अक्सर ग्राहम का नियम या प्रसार का समीकरण भी कहा जाता है क्योंकि यह इस घटना पर भी लागू होता है।

प्रवाह दर ( आर) कणों की संख्या को इंगित करती है जो समय की प्रति इकाई छिद्र या छेद से गुजरती हैं। झरझरा सतह के माध्यम से बहाव के मामले में, जिसमें लाखों छोटे छिद्र होते हैं, प्रवाह दर कणों की कुल संख्या (या गैस के द्रव्यमान) को संदर्भित कर सकती है जो झरझरा सतह प्रति इकाई क्षेत्र और प्रति इकाई क्षेत्र से गुजरती हैं। समय इकाई। प्रसार के संदर्भ में, आर प्रसार की दर को इंगित करता है और प्रति इकाई क्षेत्र और प्रति इकाई समय में फैलने वाली गैस की मात्रा का प्रतिनिधित्व करता है।

दो गैसों के प्रवाह या प्रसार की दरों का अनुपात

ग्राहम के सूत्र को एक ही स्थिति में दो अलग-अलग गैसों के प्रवाह दर से संबंधित करने के लिए एक अलग तरीके से भी व्यक्त किया जा सकता है। इससे तुलना करना संभव हो जाता है, उदाहरण के लिए, दोनों में से कौन सी गैस तेजी से निकलती है जब दोनों एक ही कंटेनर में एक झरझरा सतह के साथ समाहित होते हैं। इस मामले में, ग्राहम का नियम इस प्रकार लिखा गया है:

प्रसार और प्रवाह के लिए ग्राहम का सूत्र

यह समीकरण क्या इंगित करता है कि दो गैसों के बीच जो एक ही स्थिति में हैं, हल्के कणों वाला एक अधिक तेज़ी से निकल जाएगा। इसके अलावा, प्रवाह दर का अनुपात कणों के द्रव्यमान के वर्गमूल के कार्य के रूप में भिन्न होता है। अर्थात यदि कोई गैस दूसरी से 4 गुना भारी है तो वह आधी गति से विसरित होगी।

ग्राहम के विसरण और प्रवाह के नियम की व्याख्या

ग्राहम का नियम एक अनुभवजन्य कानून है जिसे मूल रूप से प्रायोगिक टिप्पणियों के आधार पर स्थापित किया गया था। दूसरे शब्दों में, यह गणितीय अभिव्यक्ति है जो प्रवाह दर को कणों के द्रव्यमान से संबंधित करती है। हालाँकि, गैसों के गतिज सिद्धांत के विकास ने हमें ग्राहम के सूत्र की उत्पत्ति को समझने की अनुमति दी, अर्थात, यह मॉडल बताता है कि क्यों (आदर्श) गैसें उक्त समीकरण का अनुपालन करती हैं।

एक कठोर गोले के मॉडल का उपयोग करते हुए जिसमें गैसें केवल लोचदार टक्करों के माध्यम से टकराती हैं, यह निर्धारित किया गया था कि बहाव की दर कणों की गति के वेग पर निर्भर करती है, और यह बदले में, इसके द्रव्यमान के वर्गमूल के व्युत्क्रमानुपाती होती है।

ग्राहम के विसरण और प्रवाह के नियम के अनुप्रयोग

गैस आइसोटोप संवर्धन

ग्राहम के नियम के अनुप्रयोग के दो बहुत ही महत्वपूर्ण क्षेत्र हैं। एक ओर, इसने गैसों के आणविक भार पर विशेष रूप से आधारित संवर्धन या शुद्धिकरण प्रणालियों के विकास की अनुमति दी। झरझरा दीवारों के साथ एक स्तंभ के माध्यम से गैसों के मिश्रण को पारित करते समय, मिश्रण में सभी गैसें छिद्रों के माध्यम से निकल जाती हैं, लेकिन हल्के कण भारी कणों की तुलना में इतनी तेजी से करेंगे, इसलिए जो गैस मिश्रण बच जाता है वह समृद्ध होगा ये प्रकाश कण।

यह यूरेनियम-235 संवर्द्धन प्रणाली का संचालन सिद्धांत है जिसका उपयोग मैनहट्टन परियोजना में पहले परमाणु बम के निर्माण के लिए किया गया था। बम में प्रयोग करने योग्य होने के लिए, यूरेनियम -235 को प्राकृतिक यूरेनियम में मौजूद 0.7% की तुलना में बहुत अधिक सांद्रता में समृद्ध किया जाना चाहिए।

प्रसार और प्रवाह के लिए ग्राहम का सूत्र
ग्राहम के कानून ने यूरेनियम-235 संवर्द्धन प्रणाली के विकास की अनुमति दी जिसका उपयोग मैनहट्टन परियोजना में पहले परमाणु बम के निर्माण के लिए किया गया था।

इस आइसोटोप को शुद्ध करने के लिए, एक नमूने में सभी यूरेनियम को वाष्पशील यौगिक यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड (यूएफ 6 ) में बदल दिया जाता है, जिसे वाष्पीकृत किया जाता है और गैसीय मिश्रण को झरझरा स्तंभों के झरने से गुजारा जाता है। चूँकि 235 UF 6 , 238 UF 6 की तुलना में हल्का है , पूर्व वाले की तुलना में तेजी से फैलता है (ग्राहम के नियम का पालन करते हुए) और मिश्रण एक कॉलम के माध्यम से प्रत्येक पास के बाद यूरेनियम -235 से थोड़ा समृद्ध होता है।

आणविक भार का निर्धारण

ग्राहम के समीकरण का एक अन्य अनुप्रयोग आणविक भार या द्रव्यमान के प्रायोगिक निर्धारण में है। यदि हमारे पास एक ज्ञात और अज्ञात गैस का मिश्रण है और हम इसे एक झरझरा स्तंभ से गुजारते हैं, तो परिणामी मिश्रण हल्की गैस में समृद्ध हो जाएगा। यह संवर्धन दो गैसों के प्रवाह दर के बीच के अनुपात से निर्धारित होता है। चूंकि ग्राहम का सूत्र इन दरों को दाढ़ द्रव्यमान के अनुपात से संबंधित करता है, इसलिए उनमें से एक के दाढ़ द्रव्यमान को जानने से अज्ञात गैस के दाढ़ द्रव्यमान की गणना करने के लिए ग्राहम के समीकरण का उपयोग किया जा सकता है।

ग्राहम के प्रसार और प्रवाह के नियम के साथ गणना के उदाहरण

यूरेनियम संवर्धन।

कथन:

यह जानते हुए कि यूरेनियम-235 का सापेक्ष परमाणु द्रव्यमान 235.04 है और यूरेनियम-238 का 238.05 है, और यह कि फ्लोरीन का औसत परमाणु द्रव्यमान 18.998 है, 235 यूएफ 6 और 238 यूएफ6 के प्रवाह दर के बीच संबंध निर्धारित करें

समाधान:

चूँकि हम दो प्रवाह दरों के बीच संबंध निर्धारित कर रहे हैं, हम ग्राहम के समीकरण का उपयोग करेंगे। ऐसा करने के लिए, हमें सबसे पहले दोनों गैसों के मोलर द्रव्यमान की गणना करनी होगी।

प्रसार और प्रवाह के लिए ग्राहम का सूत्र

प्रसार और प्रवाह के लिए ग्राहम का सूत्र

इन मूल्यों का उपयोग करके, हम प्रवाह दर के बीच संबंध निर्धारित कर सकते हैं:

प्रसार और प्रवाह के लिए ग्राहम का सूत्र

यह परिणाम इंगित करता है कि हर बार इन दो गैसों के मिश्रण को झरझरा स्तंभ के माध्यम से पारित किया जाता है, परिणामी गैस मिश्रण (छिद्रों के माध्यम से निकलने वाला) में पहले की तुलना में 1.0043 गुना अधिक सापेक्षिक एकाग्रता होगी।

अज्ञात गैस के दाढ़ द्रव्यमान का निर्धारण।

कथन:

मान लीजिए कि हमारे पास दो गैसों का एक सममोलर मिश्रण है। एक कार्बन डाइऑक्साइड (MM=44 g/mol) और दूसरी एक अज्ञात गैस (MM=?) है। यदि कार्बन डाइऑक्साइड अज्ञात गैस की तुलना में 3 गुना तेजी से फैलती है, अज्ञात गैस के दाढ़ द्रव्यमान का निर्धारण करें।

समाधान:

इस मामले में, हम दो बहाव दरों के बीच के संबंध को जानते हैं, क्योंकि यह कहकर कि कार्बन डाइऑक्साइड 3 गुना तेजी से फैलता है, इसका मतलब यह है कि इसकी प्रसार (या प्रवाह) दर है:

प्रसार और प्रवाह के लिए ग्राहम का सूत्र

अब, ग्राहम के नियम को लागू करते हुए, हम अज्ञात गैस के दाढ़ द्रव्यमान को निर्धारित कर सकते हैं:

प्रसार और प्रवाह के लिए ग्राहम का सूत्र

इस समीकरण को हल करने पर, हम पाते हैं:

प्रसार और प्रवाह के लिए ग्राहम का सूत्र

प्रसार और प्रवाह के लिए ग्राहम का सूत्र

इसलिए, अज्ञात गैस का मोलर द्रव्यमान 76.21 g/mol है।

संदर्भ

इंटरनेट अकादमी। (2018, सितंबर 3)। ग्राहम का नियम, गैस प्रसार नियम [वीडियो]। यूट्यूब। https://www.youtube.com/watch?v=Fd-a35TPfs0

एटकिन्स, पी।, और डेपौला, जे। (2010)। एटकिन्स। भौतिक रसायन विज्ञान (8वां संस्करण )। पैनामेरिकन मेडिकल संपादकीय।

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लुमेन लर्निंग। (रा)। 8.4: गैसों का बहाव और विसरण | जनरल कॉलेज रसायन विज्ञान मैं। पाठ्यक्रम लुमेनलर्निंग। https://courses.lumenlearning.com/suny-mcc-chemistryformajors-1/chapter/effusion-and-diffusion-of-gases/

ग्राहम का नियम | गैसों का बहाव और प्रसार । रसायन विज्ञान-जैविक। https://www.quimica-organica.com/ley-de-graham/ पर उपलब्ध है ।

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Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

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