Diffusionshastigheten hos ammoniak respektive väteklorid - en jämförelse

Kemisk bakgrund

Vad händer egentligen partikelmässigt vid gasdiffusion?

Gasmolekyler är små partiklar, ≈ 10-6 mm, som rör sig med hög hastighet, ≈ 1000 m/sek. Gasmolekylernas medelhastighet bestäms av temperaturen. Ju högre temperatur, desto högre rörelseenegi hos gasmolekylerna. Gaser diffunderar genom kollisioner med andra gasmolekyler.

Högre temperatur innebär större sannolikhet för kollision, per sekund räknat, med annan gaspartikel. I luft sker vid rumstemperatur i genomsnitt ca 5 miljarder kollisioner per sekund per gaspartikel. Detta betyder att gaspartikeln endast rör sig ca 100 nm mellan varje kollision. Det blir en massa kollisioner!

Kollisioner sker också oftare om koncentrationen av gaspartiklar är hög. Då stiger givetvis sannolikheten för kollision. Samtidigt som sannolikheten för kollision ökar vid en högre koncentration minskar sträckan som gasmolekylen kan färdas innan ny kollision. Ju kortare "fri" sträcka innan ny kollision desto lägre diffusionshastighet.

Gasmolekyler får anses vara "idela partiklar" i den mening att molekylerna kan ses som punktformiga partiklar utan sammanbindande krafter, d.v.s utan sekundära bindningar. Detta gör att vi kan studera gasernas rörelse enhetligt oavsett vilken gas det är frågan om. Som tidigare sagt så bestämmer gasmassans temperatur molekylernas medelhastighet. Men Newtons första lag, tröghetslagen, innebär att den kraft som fodras för att ändra en kropps rörelsetillstånd är proportionell mot dess massa, vilket betyder att en tyngre partikel studsar" inte lika långt som en lättare. Detta förklarar olika diffusionshastighet hos olika gaser med olika molmassa.

Sammanfattningsvis kan sägas att hög koncentration och hög molekylvikt minskar diffusionshastigheten hos gaser vid konstant tryck och temperatur.

Diffusionen utjämnar koncentrationsskillnader

Diffusion beskrivs alltså som en rörelse som eftersträvar att utjämna koncentrationsskillnader. Tänk dig att två gaser, t.ex. brom och väte, finns i var sitt kärl separerade av en vägg. När väggen tas bort kommer kommer en del brommolekyler att av en slump att gå över gränsen till det kärl där vätet finns. Vid start finns inga brommolekyler i kärlet med väte. Brom kan alltås inledningsvis inte vandra åt andra hållet. Det blir alltså en nettotransport av brom från kärlet med hög koncentration till den med låg.

Man kan resonera på motsvarande sätt för vätet, fast transporten sker åt andra hållet. Men även där gäller att koncentrationerna av väte utjämnas. Diffusionens koncentrationsutjämnande effekt är alltså en rent statistisk effekt.

Bild: © Svante Åberg

Diffusionssträckor

Den skillnad i koncentration av ämnena ammoniak och väteklorid som råder i ändarna av röret inledningsvis, kommer sakta att utjämnas på grund av denna diffusionsrörelse. Detta utmynnar till slut i en homogen gasblandning. I vårt experiment kommer vi att kunna notera var och när de båda gaserna möts, eftersom det bildas fast ammoniumklorid. Detta gör att vi kan mäta avståndet från var sida till mötesplatsen och diskutera vad denna skillnad i sträcka, d.v.s diffusionshastighet, beror på.

Den skotske kemisten Thomas Graham visade 1831 att diffusionshastigheten för en gas är omvänt proportionell mot kvadratroten ur dess molekylvikt (Graham's law of diffusion). Krav är dock att omgivningens tryck och temperatur är konstanta.

Detta tillsammans med gasernas allmänna tillståndsekvation (allmänna gaslagen) gör att vi kan få ett allmänt samband mellan diffusionshastigheterna (eller snarare diffusionssträckorna) och molekylvikterna hos två olika gaser:

.

Med andra ord - förhållandet mellan gasernas diffusionssträckor
(d1 resp. d2) är omvänt proportionellt mot kvadratroten av gasernas molmassor. d1 avser det avstånd som gas nr 1 förflyttat sig (diffunderat) och d2 avser avståndet som gas nr 2 diffunderat.

Experimentet

Experimentet avser att visa skillnaden i diffusionshastighet för gaserna ammoniak (NH3) och väteklorid (HCl), samt att använda sambandet ovan för att fastställa ungefär var i reaktionskärlet som den fasta ammoniumkloriden (salmiaken) kommer att framträda.

I vårt experiment förhåller sig ämnenas molmassor enligt följande:
M(HCl) = 36,5 g/mol samt M(NH3) = 17 g/mol Kvadratroten ur (36,5/17) ≈ 1,5 vilket ger oss enligt sambandet ovan att d2 ≈ 1,5·d1.

Alltså - Om vi använder oss av ett glasrör som är 1 meter långt kommer reaktionsprodukten (salmiak) teoretiskt att framträda ca 40 cm från tussen indränkt i saltsyra eller ca 60 cm från tussen indränkt med ammoniak.

Bild: © Svante Åberg

Frågeställningar

Gasers natur

Som sagts tidigare betraktar man vanligen gaser som ideala, d.v.s man kan betrakta gasmolekylerna som isolerade punktformiga partiklar utan några krafter som verkar mellan gasmolekylerna. Detta sätt att betrakta gaserna ligger till grund för Avogadro's lag. Eftersom avståndet mellan gaspartiklarna är relativt sett mycket stort kan man med gott samvete göra denna förenkling förutsatt att de inblandade gaserna är långt från sin kondensationstemperatur. Men innebär detta att alla gasblandningar är homogent blandade?

I små gasvolymer kan man försumma de inblandade gasernas massa, men vid större gasmassor går detta inte. Ett exempel är sammansättningen av vår atmosfär. Här är det ganska tydligt att sammansättningen bl.a beror på gasernas egenmassa. Vår atmosfär består som bekant huvudsakligen av gaserna syre och kväve, förekommande oftast som tvåatomiga molekyler. Det finns även ett litet inslag av ädelgaser i vår atmosfär där argon är den dominerande gasen av dessa ädelgaser. Dessa tre olika gaspartiklar, N2, O2 samt Ar, kan räcka som exempel för att beskriva att atmosfärens vertikala sammansättning beror till viss del på gasernas egenmassa.

Det visar sig alltså att atmosfären har olika densitet vid olika höjd beroende på gasmolekylernas egen tyngd. Denna atmosfärens vertikala struktur är relativt stabil sett över ett längre tidsperspektiv. Kortsiktigt så ändras denna vertikala struktur något i samband med väderomslag och växlingar i lufttryck men i stort är sammansättningen konstant.

Hur har denna struktur uppstått? Atmosfärens vertikala struktur bestäms i första hand av solens UV-strålning. Denna UV-strålning kan absorberas av molekylerna i atmosfären. I atmosfärens övre skikt, vi pratar om höjder runt 80 km över markytan (termosfären eller jonosfären), absorberas UV-strålningen med en våglängd kortare än 190 nm. Detta leder till att framför allt syremolekyler dissocieras till atomärt syre. Viss dissociation av kvävemolekyler förekommer också. På denna höjd syns tydligt en skillnad i fördelning av de olika gaserna. Högst upp från markytan återfinns huvudsakligen atomärt syre. Denna mängd atomärt syre växer med höjden i relation till kvävemolekylerna och det atomära argonet. Detta p.g.a att atomärt syre är lättare än kvävemolekylerna som i sin tur är lättare än argonet. På samma sätt märks att mängden av argon minkar snabbt med ökande höjd. I de allra yttersta delarna av atmosfären finns knappt något syre alls men däremot har noterats en betydande mängd av väte i form av fria protoner. Denna mängd väte har ökat kraftigt i förhållande till förekomsten på lägre höjder.

Fördjupning