2.4　气体扩散定律

（Law of Gas Diffusion）

气体分子间距离大，作用力小，并不停地做无规则运动，尽量扩散到所能达到的空间，那么气体分子扩散速率有无规律？

取一支玻璃管，在其左端放浸有浓氨水的棉花团，右端放浸有浓盐酸的棉花团（图2.4）。NH₃分子向右扩散，HCl分子向左扩散，它们相遇时生成NH₄Cl白色固体而出现白色雾环。

图2.4　NH₃和HCl的扩散

可以观察到这个白色雾环出现在中间偏右部位，左右距离比约为3∶2。这个实验现象告诉我们，NH₃的扩散速率比HCl的快。上述玻璃管中还有空气，NH₃分子和HCl分子运动时必然要和N₂、O₂等分子不断碰撞，所以观察到的扩散速率只是分子运动速率的相对比较。定量测定时可将气体A密封在某容器中，该容器一端与气压计相连，另一端有活塞经毛细管与真空室相接，借此可测定气体A由压力p₁降至p₂所需的时间t_A。在相同条件下测定B气体由p₁降至p₂的时间t_B。所需时间越短，表示气体扩散速率越快，t_A与t_B之比可以代表扩散速率v_B与v_A之比。这种经小孔向真空的扩散叫隙流，v_A和v_B也叫隙流速率，即

t_A/t_B=v_B/v_A

1828年，Graham由实验发现：等温等压条件下，气体的隙流速率（v，mol·s^-1）和它的密度（ρ）的平方根成反比，而气体的密度又与摩尔质量（M）成正比，即

由实验测定已知摩尔质量的化合物的v_A，再测定未知物的v_B，即可用（2.12）式求未知物的摩尔质量M_B。Ramsay等人曾用此法测定了稀有气体Rn的原子量。

这个实验定律，现已从分子运动论加以推导证明（见p.22）。这个简单的定律曾解决过核化学中的复杂问题。核燃料铀在自然界有两种重要同位素²³⁵U和²³⁸U（还有很少量的²³⁴U）。²³⁵U核受热中子轰击可以裂变而释放很大的能量，但它在自然界的同位素丰度只有0.72%，而²³⁸U的丰度虽高达99.28%，却不能由热中子引起裂变反应。因此必须将²³⁵U和²³⁸U进行同位素分离，使²³⁵U富集之后才能制作核燃料。同一种元素两种同位素的化学性质极其相似，一般化学方法难于将它们分离。20世纪40年代，富集²³⁵U的成功方法就是利用了铀的挥发性化合物²³⁵UF₆和²³⁸UF₆扩散速率的差别。世界上第一个大规模铀分离工厂在美国田纳西州橡树岭，六氟化铀气体通过一种多孔隔板经几千次扩散分离而使²³⁵UF₆富集。

【例2.7】比较²³⁵UF₆、²³⁸UF₆与H₂三种气体在100.0kPa及100.0℃时的扩散速率之比。

两者差别很小，所以必须经过几千次的扩散，才能达到富集的要求。Graham气体扩散定律（2.12式）是实验定律，只表明了分子运动速率的比值。理论证明及速率的具体计算将在下一节再介绍。