La loi de Graham exprime la relation entre le taux de effusion ou la diffusion d'un gaz et de ce gaz masse molaire. La diffusion décrit la propagation d'un gaz à travers un volume ou un deuxième gaz et l'épanchement décrit le mouvement d'un gaz à travers un minuscule trou dans une chambre ouverte.
En 1829, le chimiste écossais Thomas Graham a déterminé par l'expérimentation que le taux d'épanchement d'un gaz est inversement proportionnel à la racine carrée de la densité des particules de gaz. En 1848, il a montré que le taux d'épanchement d'un gaz est également inversement proportionnel à la racine carrée de sa masse molaire. La loi de Graham montre également que le énergies cinétiques des gaz sont égaux à la même température.
Formule de la loi de Graham
La loi de Graham stipule que le taux de diffusion ou épanchement d'un gaz est inversement proportionnelle à la racine carrée de sa masse molaire. Voir cette loi sous forme d'équation ci-dessous.
r ∝ 1 / (M)½
ou
r (M)½ = constant
Dans ces équations, r = taux de diffusion ou d'épanchement et M = masse molaire.
Généralement, cette loi est utilisée pour comparer la différence de taux de diffusion et d'épanchement entre les gaz, souvent dénommée gaz A et gaz B. Il suppose que la température et la pression sont constantes et équivalentes entre les deux gaz. Lorsque la loi de Graham est utilisée pour une telle comparaison, la formule s'écrit comme suit:
rGaz A/ rGaz B = (MGaz B)½/(MGaz A)½
Exemples de problèmes
Une application de la loi de Graham consiste à déterminer la vitesse à laquelle un gaz s'épanchera par rapport à un autre et à quantifier la différence de débit. Par exemple, si vous souhaitez comparer les débits d'épanchement de l'hydrogène (H2) et d'oxygène gazeux (O2), vous pouvez utiliser leurs masses molaires (hydrogène = 2 et oxygène = 32) et les relier inversement.
Équation de comparaison des débits d'épanchement: taux H2/ taux O2 = 321/2 / 21/2 = 161/2 / 11/2 = 4/1
Cette équation montre que les molécules d'hydrogène diffusent quatre fois plus vite que les molécules d'oxygène.
Un autre type de problème de loi de Graham peut vous demander de trouver le poids moléculaire d'un gaz si vous connaissez son identité et le taux d'épanchement entre deux gaz différents.
Équation pour trouver le poids moléculaire: M2 = M1Taux12 / Taux22
Enrichissement d'uranium
Une autre application pratique de la loi de Graham est uranium enrichissement. L'uranium naturel est constitué d'un mélange d'isotopes de masses légèrement différentes. Lors d'un épanchement gazeux, le minerai d'uranium est d'abord transformé en hexafluorure d'uranium gazeux, puis diffusé à plusieurs reprises à travers une substance poreuse. À chaque épanchement, le matériau passant à travers les pores devient plus concentré en U-235 (le isotope utilisé pour générer de l'énergie nucléaire) parce que cet isotope diffuse à un rythme plus rapide que le plus lourd U-238.