Tabla de Contenidos
Difusi dan efusi adalah dua proses terkait yang memungkinkan kita memahami perilaku gas dan materi secara umum pada tingkat molekuler. Efusi diatur dengan persis oleh hukum Graham, tetapi juga memungkinkan deskripsi yang memadai (walaupun perkiraan) dari proses difusi, memberikan model yang menjelaskan mengapa beberapa gas berdifusi lebih cepat daripada yang lain.
Apa itu difusi?
Difusi adalah pergerakan partikel melalui ruang mengikuti gradien konsentrasinya . Artinya, ini tentang perpindahan semua jenis partikel, baik itu gas atau zat terlarut dalam larutan, dari daerah di mana konsentrasinya lebih tinggi ke daerah lain di mana konsentrasinya lebih rendah. Difusi adalah proses yang sangat penting dalam banyak konteks ilmiah, termasuk kimia, fisika, dan biologi.
Apa itu efusi?
Efusi adalah proses dimana gas berpindah dari satu kompartemen atau wadah yang lain melalui lubang kecil atau lubang . Agar proses dianggap sebagai pencurahan, diameter lubang harus jauh lebih kecil daripada jalur bebas rata-rata partikel gas. Jalur rata-rata ini mengacu pada jarak rata-rata yang dapat dilalui sebuah partikel dalam garis lurus tanpa bertabrakan dengan partikel lain dalam kondisi suhu dan tekanan tertentu.
Efusi adalah proses di mana, misalnya, balon berisi helium secara spontan mengempis dari waktu ke waktu, atau di mana minuman ringan yang disegel kehilangan hampir semua karbon dioksida setelah beberapa tahun, meskipun disegel “kedap udara”.
hukum efusi Graham
Fisikawan Skotlandia Thomas Graham mempelajari proses efusi pada tahun 1846 dan secara eksperimental menentukan bahwa laju efusi gas apa pun berbanding terbalik dengan akar kuadrat dari massa partikelnya. Ini dapat dinyatakan sebagai:
Di mana r mewakili laju efusi melalui lubang kecil atau pori dan MM sesuai dengan massa molar gas (huruf r adalah singkatan dari laju dalam bahasa Inggris, yang disebut laju ). Hukum proporsionalitas ini kemudian dikenal sebagai hukum Graham atau persamaan efusi, meskipun juga sering disebut hukum atau persamaan difusi Graham karena juga berlaku untuk fenomena ini.
Tingkat efusi ( r ) menunjukkan jumlah partikel yang melewati pori atau lubang per satuan waktu. Dalam kasus efusi melalui permukaan berpori, di mana terdapat jutaan pori-pori kecil, laju efusi dapat mengacu pada jumlah total partikel (atau massa gas) yang melewati permukaan berpori per satuan luas dan per satuan luas. satuan waktu. Dalam konteks difusi, r menunjukkan laju difusi dan mewakili jumlah gas yang berdifusi per satuan luas dan per satuan waktu.
Rasio laju efusi atau difusi dua gas
Rumus Graham juga dapat dinyatakan dengan cara yang berbeda untuk menghubungkan laju efusi dari dua gas yang berbeda dalam kondisi yang sama. Hal ini memungkinkan untuk membandingkan, misalnya, mana dari dua gas yang keluar lebih cepat jika keduanya disimpan dalam wadah yang sama dengan permukaan berpori. Dalam hal ini, hukum Graham ditulis seperti ini:
Persamaan ini menunjukkan bahwa, antara dua gas yang berada dalam kondisi yang sama, gas dengan partikel yang lebih ringan akan keluar lebih cepat. Selain itu, rasio tingkat efusi bervariasi sebagai fungsi dari akar kuadrat dari massa partikel. Artinya, jika suatu gas 4 kali lebih berat dari yang lain, maka ia akan berdifusi dengan kecepatan setengahnya.
Penjelasan hukum Graham tentang difusi dan efusi
Hukum Graham adalah hukum empiris yang awalnya didirikan berdasarkan pengamatan eksperimental. Dengan kata lain, itu adalah ekspresi matematis yang menghubungkan laju efusi dengan massa partikel. Namun, perkembangan teori kinetik gas memungkinkan kita untuk memahami asal usul rumus Graham, yaitu model ini menjelaskan mengapa gas (ideal) memenuhi persamaan tersebut.
Menggunakan model bola keras di mana gas hanya bertabrakan melalui tumbukan elastis, ditentukan bahwa laju efusi bergantung pada kecepatan pergerakan partikel, dan ini, pada gilirannya, berbanding terbalik dengan akar kuadrat massanya.
Penerapan Hukum Difusi dan Efusi Graham
Pengayaan isotop gas
Hukum Graham memiliki dua bidang penerapan yang sangat penting. Di satu sisi, ini memungkinkan pengembangan sistem pengayaan atau pemurnian yang hanya didasarkan pada berat molekul gas. Ketika campuran gas melewati kolom dengan dinding berpori, semua gas dalam campuran akan cenderung keluar melalui pori-pori, tetapi partikel yang lebih ringan akan melakukannya lebih cepat daripada partikel yang lebih berat, sehingga campuran gas yang keluar akan lebih kaya. partikel cahaya ini.
Ini adalah prinsip pengoperasian sistem pengayaan uranium-235 yang digunakan di Proyek Manhattan untuk pembuatan bom atom pertama. Agar dapat digunakan dalam bom, uranium-235 harus diperkaya dengan konsentrasi yang jauh lebih tinggi dari 0,7% yang dikandung uranium alami.
Untuk memurnikan isotop ini, semua uranium dalam sampel diubah menjadi senyawa volatil uranium hexafluoride (UF 6 ), yang diuapkan dan campuran gas dilewatkan melalui kaskade kolom berpori. Karena 235 UF 6 lebih ringan dari 238 UF 6 , yang pertama berdifusi lebih cepat daripada yang terakhir (mengikuti hukum Graham) dan campuran berakhir sedikit diperkaya dengan uranium-235 setelah masing-masing melewati kolom.
Penentuan berat molekul
Penerapan lain dari persamaan Graham adalah dalam penentuan berat atau massa molekul secara eksperimental. Jika kita memiliki campuran gas yang diketahui dan tidak diketahui dan kita melewatkannya melalui kolom berpori, campuran yang dihasilkan akan diperkaya dengan gas yang lebih ringan. Pengayaan ini ditentukan oleh rasio antara laju efusi kedua gas. Karena rumus Graham menghubungkan laju ini dengan rasio massa molar, mengetahui massa molar salah satunya dapat menggunakan persamaan Graham untuk menghitung massa molar gas yang tidak diketahui.
Contoh perhitungan dengan hukum Graham tentang difusi dan efusi
pengayaan uranium.
Penyataan:
Mengetahui bahwa massa atom relatif uranium-235 adalah 235,04 dan uranium-238 adalah 238,05, dan massa atom rata-rata fluor adalah 18,998, tentukan hubungan antara laju efusi 235 UF 6 dan 238 UF6 ._
Larutan:
Karena kita menentukan hubungan antara dua laju efusi, kita akan menggunakan persamaan Graham. Untuk melakukan ini, pertama-tama kita perlu menghitung massa molar kedua gas.
Dengan menggunakan nilai-nilai ini, kita dapat menentukan hubungan antara laju efusi:
Hasil ini menunjukkan bahwa setiap kali campuran kedua gas ini dilewatkan melalui kolom berpori, campuran gas yang dihasilkan (yang keluar melalui pori) akan memiliki konsentrasi relatif 1,0043 kali lebih besar dari sebelumnya.
Penentuan massa molar gas yang tidak diketahui.
Penyataan:
Misalkan kita memiliki campuran equimolar dari dua gas. Salah satunya adalah karbon dioksida (MM=44 g/mol) dan yang lainnya adalah gas yang tidak diketahui (MM=?). Jika karbon dioksida berdifusi 3 kali lebih cepat daripada gas yang tidak diketahui, tentukan massa molar gas yang tidak diketahui tersebut.
Larutan:
Dalam hal ini, kita mengetahui hubungan antara dua laju efusi, karena dengan mengatakan bahwa karbon dioksida berdifusi 3 kali lebih cepat, yang dimaksud adalah laju difusi (atau efusi) adalah:
Sekarang, dengan menerapkan hukum Graham, kita dapat menentukan massa molar dari gas yang tidak diketahui:
Memecahkan persamaan ini, kita mendapatkan:
Oleh karena itu, massa molar gas yang tidak diketahui adalah 76,21 g/mol.
Referensi
Akademi Internet. (2018, 3 September). Hukum Graham, Hukum Difusi Gas [Video]. Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=Fd-a35TPfs0
Atkins, P., & dePaula, J. (2010). Atkins. Kimia Fisik ( edisi ke-8 ). Editorial Medis Panamerican.
Difusi . (2021, 22 Maret). BYJUS. https://byjus.com/biology/diffusion/
Hukum Difusi dan Efusi Graham . (1 September 2020). https://chem.libretexts.org/@go/page/41411
Pembelajaran Lumen. (td). 8.4: Efusi dan Difusi Gas | Kimia Perguruan Tinggi Umum I. Kursus Lumenlearning. https://courses.lumenlearning.com/suny-mcc-chemistryformajors-1/chapter/effusion-and-diffusion-of-gases/
Hukum Graham | Efusi dan Difusi Gas . Kimia-Organik. Tersedia di https://www.quimica-organica.com/ley-de-graham/ .
