Thomas Graham
(18051869)

A gázok diffúziójának törvényérõl
Részletek

Philosophical Magazine, 2: 175190, 269276, 351358 (1833)
in: Henry Marshall Leicester and Herbert S. Klickstein, A Source Book in Chemistry 1400-1900 (Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts, 1963)


Ennek a dolgozatnak az a célja, hogy számszerû pontossággal megalapozzuk a gázok diffúziójának következõ törvényét:

"Két, egymással érintkezõ gáz diffúzióját vagy egymás közötti spontán keveredését a végtelenül kicsiny gáztérfogatok helyzetének egymás közötti cseréje befolyásolja, mely térfogatok nem szükségképpen azonos nagyságúak, és minden egyes gáz esetében fordítottan arányosak a gáz sûrûségének négyzetgyökével."

Ezeket a helyet cserélõ gáztérfogatokat ekvivalens diffúziós térfogatoknak nevezhetjük, és a következõk: levegõ: 1, hidrogén: 3,7947, metán: 1,3414, vízgõz: 1,2649, nitrogén: 1,0140, oxigén: 0,9487, szén-dioxid: 0,8091, klór: 0,6325 stb. ezek a számok fordítottan arányosak a gázok sûrûségeinek négyzetgyökével, lévén a sûrûségek négyzetgyökeinek reciprokai; a levegõ sûrûségét egységnyinek tekintjük.

Ha a két gázt kezdetben olyan szûrõvel választjuk el, melynek nyílásai érzékelhetetlen nagyságúak, egy igen intenzív erõ hatására az "ekvivalens diffúziós téfogatok" cseréje lezajlik ezeken a nyílásokon; s ha a gázok nem egyenlõ sûrûségûek, a nehéz gáz oldalán többlet, a könnyebb gáz oldalán hiány jelentkezik. Ha például a szûrõ egyik oldalán levegõ, a másikon hidrogéngáz van, a nyílásokon át 1 rész levegõ 3,7947 rész hidrogénnel cserélõdik ki, és a folyamat addig tart, amíg a gázok a szûrõ mindkét oldalán el nem érik az egynemû keverék állapotát. A késõbbiekben kitûnik majd, hogy könnyû és egyszerû kísérletekkel a törvény elegánsan bizonyítható. ...

A következõkben azt vizsgálom, hogy a különbözõ gázok hogyan jutnak be a diffúziós készülékbõl a levegõbe. Miután a bezárt gáz mennyisége sokkal kisebb a külsõ levegõénél, a gáz teljes egészében elhagyja a készüléket, és levegõ foglalja el a helyét. Rendkívül fontos, hogy meghatározzuk a diffundáló gáz térfogata, az õt helyettesítõ, diffundáló levegõ térfogata és a gázt helyettesítõ, készülékben található levegõ térfogata közötti kapcsolatot. Ennek nyomán megkapjuk a gáz ekvivalens diffúziós térfogatát, amelyet célszerû a gázt helyettesítõ levegõ egységnyinek tekintett térfogatához képest megadni. ...

Az oxigén, a nitrogén és a szén-monoxid diffúziós térfogata esetén az elmélet és a kísérlet egyezése minden kívánságunkat kielégíti. Sõt, úgy gondolom, hogy törvényünk alapján eme gázok fajsúlya pontosabban meghatározható diffúziós mérésekkel, mint a szokásos módon. De a pontos eredmények érdekében a kísérletet különös gonddal kell elvégezni, a legkedvezõbb körülmények között, ami az egyenletes hõmérsékletet illeti, és sokszor meg kell ismételni. A diffúziós gömbök mérete jelentõsen növelhetõ a pontosabb mérés érdekében. A dolgozatban közölt legsikeresebb kísérlet esetében sem lehetünk tökéletelesen biztosak a harmadik tizedes jegyben. ...

A gázok ekvivalens diffúziós téfogatainak táblázata; levegõ=1


Kísérletileg Elméletileg Fajsúly
Hidrogén 3,83 3,7947 0,694
Metán 1,344 1,3414 0,555
Etén 1,0191 1,0140 0,972
Szén-monoxid 1,0149 1,0140 0,972
Nitrogén 1,0143 1,0140 0,972
Oxigén 0,9487 0,9487 0,111
Hidrogén-szulfid 0,95 0,9204 1,1805
Dinitrogén-oxid 0,82 0,8091 1,527
Szén-dioxid 0,812 0,8091 1,527
Kén-dioxid 0,68 0,6708 2,222

A diffúziós törvény szerint "két, egymással érintkezõ gáz diffúzióját vagy egymás közötti spontán keveredését a végtelenül kicsiny gáztérfogatok helyzetének egymás közötti cseréje befolyásolja". Kísérleteim, melyeket a kevert gázok diffúziójáról publikáltam korábban (Quarterly Journal of Science, p. 28. 1829. szept.), elsõként mutatják be, hogy a diffúzió a gázrészecskék és nem az érzékelhetõ tömegek között zajlik; ezért a diffúzió nem lehet véletlen eredménye. Amikor két gáz keveréke 0,12 és 0,07 hüvelykes nyílásokon távozott egy edénybõl a légkörbe, tulajdonképpen nem a keverék hagyta el a tartályt adott idõ alatt, hanem a két összekevert gáz bizonyos hányada, egymástól függetlenül, az egyedi diffuzivitásoknak megfelelõen. Ugyanígy különültek el a kevert gázok, amikor a gipsz pórusain vagy egy repedt edény hasadékain diffundáltak.

"...  mely térfogatok nem szükségképpen azonos nagyságúak, és minden egyes gáz esetében fordítottan arányosak a gáz sûrûségének négyzetgyökével." Ez akkor mutatható ki, ha különbözõ gázok nagyon kesekeny csatornákon vagy nagyon kis nyílásokon át érhetik el egymást, és ha védekezünk az egyenlõtlen nyomás ellen. Másrészt, ha egy gáz széles nyíláson át érintkezik a levegõvel, az eredmény különbözõ, noha a diffúzió vagy az egymás közötti keveredés pontosan ugyanúgy játszódik le; mert ha a diffúzió folyományaként összehúzódás jön létre, a levegõ mechanikai úton áramlik be a nyíláson, semmilyen ellenállást nem tapasztalva, s pótolja a hiányt. A fenti körülmények között a nagy diffúziós térfogatú gáz rövidebb idõ alatt távozik, mint a kis diffúziós térfogatú. A korábbi dolgozat azzal a konklúzióval zárult, hogy a gázok többé-kevésbé gyorsan diffundálnak sûrûségük valamely függvénye szerint, szemmel láthatóan sûrûségek négyzetgyökével  fordított arányban. A kis nyílásokon vagy keskeny csatornákon zajló diffúziós folyamat bemutatásának sikere attól függ, hogy amikor a diffúziós készülékbe helyezett gázban összehúzódás vagy tágulás jön létre, a súrlódási ellenállás minden kifelé és befelé irányuló áramot megakadályozzon; tehát a a diffúzió egyszerû eredménye minden más erõ hatásától mentesen mutatkozzék meg.

A kapott törvényrõl (amely csak a jelenségek leírása, és hitem szerint semmilyen hipotetikus elemet nem tartalmaz) semmit sem mondanak a mostani korpuszkuláris elméletek, s mindent egybevetve olyan különös, hogy megbocsátható, ha nem merülök további találgatásba az okát illetõen, amíg különféle hatásai és járulékos jelenségei nem kerülnek tüzetes vizsgálat alá.
 


Vissza http://www.kfki.hu/chemonet/
http://www.ch.bme.hu/chemonet/