Graham Difüzyon ve Efüzyon Yasası

Bir bardak suya mürekkep damlatıldığında mürekkep molekülleri su molekülleriyle çarpışarak etrafa yayılır. Sıvı ve gaz hâlde atomlar ile moleküller sürekli olarak titreşir; bu titreşim, hava akımı olmasa bile taneciklerin yer değiştirmesine neden olur. Bir odaya sıkılan parfüm kokusunun kısa sürede tüm odaya dağılması ya da feromonlar sayesinde hayvanların birbirini bulabilmesi bu duruma örnektir. Gazlar bazen de araba lastiklerindeki basıncın azalmasında olduğu gibi bir delikten dışarı kaçabilir.

Difüzyon

Gaz taneciklerinin diğer gaz tanecikleriyle yavaş yavaş karışması sürecine difüzyon denir. Bu süreç, taneciklerin kinetik enerjilerinden kaynaklanır ve tanecikler, yüksek konsantrasyonlu bölgeden düşük konsantrasyonlu bölgeye doğru hareket eder. Difüzyon, gazlar farklı alanlarda eşit konsantrasyona ulaşana kadar devam eder. Gazların difüzyonu, farklı gazların bir ortamda nasıl karıştığını ve dağıldığını açıklamaya yardımcı olur.

Efüzyon

Yüksek basınçlı bir kaptaki gaz, kap üzerinde bulunan çok küçük bir delikten geçerek dış ortamla basınç dengesi sağlanana kadar dışarıya doğru sızar. Sıkışmış gaz taneciklerinin bulundukları kabın bir bölmesinden diğerine küçük bir delikten geçerek yayılmasına efüzyon (dışa yayılma, sızma) denir. Efüzyon, kapta oluşan deliğin boyutuna bağlıdır; delik çok küçükse efüzyon gerçekleşmeyebilir. Gazın bulunduğu kaba daha büyük delikler açılırsa süreç efüzyon yerine difüzyon olarak düşünülebilir.

Efüzyon, gaz taneciklerinin küçük bir delikten veya dar bir bölmeden geçmesiyle gerçekleştiği için genellikle difüzyondan daha hızlıdır; difüzyon, gaz taneciklerinin geniş bir alana yayılmasıyla gerçekleştiği için daha uzun zaman alır.

Efüzyon ile Difüzyon Arasındaki Farklar

Graham Difüzyon Yasası

Thomas Graham, iki gazın birbiriyle karışma hızını araştırmak için özel bir cihaz kullanmıştır: bir gazın tüpe girmesine veya tüpten çıkmasına yetecek kadar büyük delikleri olan gözenekli bir alçıyla ucu kapatılmış cam tüpten oluşan bu cihazda, tüpteki su seviyesinin değişim hızı incelenerek farklı gazların karışma hızı hakkında veri elde edilmiştir. Graham'ın bir diğer deneyi ise kapalı bir kaptaki gaz moleküllerinin küçük bir delikten boşluğa yayılmasını (efüzyonunu) içerir; bu deneyde gazın çok küçük bir iğne deliğinden kaçması için gereken süre bir kronometreyle ölçülmüştür.

Graham difüzyon yasasına göre aynı sıcaklıkta düşük mol kütlesine sahip gaz tanecikleri, büyük mol kütleli gaz taneciklerinden daha hızlı hareket eder.

Örnek: Uranyum İzotoplarının Ayrılması

Graham difüzyon yasası bir elementin izotoplarının ayrılmasında kullanılır. ²³⁵UF₆ ve ²³⁸UF₆ karışımı buharlaşma sıcaklığının üzerinde ısıtıldıktan sonra bir gözenekli engelden geçirilir; ²³⁵UF₆ gazı ²³⁸UF₆ gazına göre daha hızlı olduğundan (daha düşük mol kütlesine sahip olduğu için), işlem binlerce kez yinelenerek izotoplar birbirinden ayrılır. Bu işlem günümüzde nükleer santrallerde ²³⁵U bakımından zenginleştirilmiş yakıt üretiminde kullanılmaktadır.

Örnek: Helyum ve Argon Balonlarının Sönme Hızı

Helyum (He, 4 g/mol) ve argon (Ar, 40 g/mol) gazıyla şişirilmiş iki balon yaklaşık 12 saat sonra incelendiğinde, helyum balonunun argon balonundan belirgin şekilde daha fazla söndüğü gözlemlenir. Bunun nedeni, helyumun mol kütlesinin argonunkinden çok daha küçük olmasıdır; Graham difüzyon yasasına göre düşük mol kütleli helyum atomları, balonun gözenekli yüzeyinden (efüzyon yoluyla) argon atomlarından çok daha hızlı kaçar.

Efüzyon ve Difüzyonun Uygulama Alanları

Efüzyon uygulamaları: - Gazların laboratuvar ortamında saflaştırılması ve ayrılması işlemlerinde kullanılır. - Nükleer teknolojide, farklı kütledeki gaz izotoplarını ayırmak için gözenekli engellerden geçme hız farkı kullanılır. - Yüksek vakum cihazlarındaki mikroskobik çatlaklar, sisteme helyum gazı gönderilip sızıntı dedektörleriyle kontrol edilerek tespit edilir.

Difüzyon uygulamaları: - Laboratuvarlarda yarı geçirgen zarlar yardımıyla atık maddelerin veya iyonların çözeltiden uzaklaştırılması difüzyon prensibiyle gerçekleştirilir. - Biyokimya laboratuvarlarında karışık hâldeki moleküller, büyüklüklerine göre farklı hızlarda yayılarak birbirinden ayrıştırılır ve saflaştırılır. - Gaz karışımlarının ayrılması veya sıvı karışımların saflaştırılması işlemlerinde kullanılır.

Ayrıca doğal gaz sızıntılarını fark etmek için kokusu çürük sarımsağa benzeyen metil merkaptan bileşiği doğal gaza ilave edilir; bu sayede doğal gaz sızıntıları çok düşük yoğunluklarda bile difüzyon yoluyla algılanabilir. Atmosferdeki oksijen, azot, karbon dioksit gibi çeşitli gazların dengeli ve homojen bir şekilde dağılması da difüzyon süreciyle açıklanır.

Özet

• Difüzyon, gaz taneciklerinin birbiriyle karışarak yüksek konsantrasyonlu bölgeden düşük konsantrasyonlu bölgeye yayılmasıdır; efüzyon ise sıkışmış gaz taneciklerinin küçük bir delikten dışarı sızmasıdır. Efüzyon genellikle difüzyondan daha hızlıdır.
• Graham difüzyon yasasına göre aynı sıcaklıkta düşük mol kütleli gaz tanecikleri, yüksek mol kütleli olanlardan daha hızlı hareket eder (hem difüzyon hem efüzyonda geçerli bir ilke).
• Bu ilke, uranyum izotoplarının (²³⁵UF₆/²³⁸UF₆) nükleer yakıt zenginleştirmesinde ayrılmasından, helyum balonunun argon balonundan daha hızlı sönmesine kadar birçok pratik uygulamada karşımıza çıkar; efüzyon nükleer teknoloji ve vakum sızıntı tespitinde, difüzyon ise biyokimyasal ayrıştırma ve doğal gaz sızıntı tespitinde kullanılır.