DIFFUSIONE DEI GAS, LEGGE DI GRAHAMOvvero determinazione del rapporto di masse molecolari di due gas in base alla velocità di diffusione. Ricordo che altri metodi per determianre le masse atomiche o le masse molecolari risultano: spettrografo di massa; uso delleproprietà colligative; legge di Dulong-Petit (solo per masse atomiche), Legge di Avogadro. PrerequisitiLa diffusione è il fenomeno di trasporto di materia che avviene quando due specie differenti di particelle sono presenti nella stessa fase (solida, liquida o gassosa) con concentrazione non uniforme in tutto il volume a disposizione. La diffusione è quindi causata da un gradiente di concentrazione. La diffusione interessa in diversa misura i vari stati di aggregazione della materia: più precisamente la velocità di trasporto assume valori piuttosto alti nei gas, meno nei liquidi, mentre nei solidi e bassissima e inmolti casi trascurabile.ScopoLa legge di Graham è uno dei metodi a nostra disposizione per studiare il comportamento relativo di due gas, essa ci fornisce informazioni sulla sua densità di diffusione e di effusione e quindi sulle masse molecolari dei gas stessi. Fu formulata dal chimico scozzese Thomas Graham (1805-1869) nel periodo 1825-29 con v velocità e √d densità.v1 : v2 = √d2 : √d1 ma per il principio di Avogadro la densità di un gas è direttamente proporzionale alla sua massa molecolare MM e inoltre a parità di tempo la velocità è direttamente proporzionale alla distanza dist. osservata per cui possiamo scrivere: dist.1 : dist.2 = √MM2 : √MM1 Attrezzatura e sostanzeFoglio di carta nero; tubo di vetro; tappi in gomma; metro; cronometro; cotone idrofilo.Soluzione concentrata di acido cloridrico e di ammoniaca (idrossido di ammonio). Il tubo di vetro per la buona riuscita della prova deve essere a secco e non bagnato. ProcedimentoI due gas acido cloridrico e ammoniaca sono inseriti alle due estremità del tubo di vetro sotto forma di soluzioni acquose, rispettivamente a sinistra e a destra dell'operatore; nel tempo effondono verso il centro, quando si incontrano reagiscono per formare dei fumi di cloruro di ammonio bianchi. HCl (g incolore) + NH3 (g incolore) —» NH4Cl (s bianco)Si determina quindi il percorso (velocità) effettuato dai due gas ed il loro rapporto usato per predire le relative densità e masse molecolari ovvero delle masse molecolari conoscendone una delle due. È possibile che l'apparecchiatura sperimetnale sia grossolana così da non avere buon accordo tra i dati trovati e le relative densità. OsservazioniIl cloruro di ammonio appare come un velo bianco che si muove piuttosto rapidamente verso l'estremità dell'acido cloridrico.Man mano che passa il tempo lascia "dietro di se" un deposito sempre più consistente di cloruro di ammonio dovuto ai tre effetti di accumulo a) del gas acido cloridrico verso il basso (è infatti più pesante dell'aria), b) della precipitazione del cloruro di ammonio per decantazione, c) dell'aumento della concentrazione dei due gas col passare del tempo all'interno del tubo (si può notare infatti che al termine della prova, quando si riapre il tubo, c'è una pressione interna decisamente maggiore della pressione ambientale che si osserva con la fuoriuscita dei fumi bianchi di cloruro di ammonio. Pericoli e precauzioniParticolare cura si deve prestare quando si maneggiano i tubi di vetro, e l'uso delle sostanze chimiche presenti recipienti con contagocce, fumano all'apertura e irritano le mucose, particolarmente sgradevole l'odore dell'ammoniaca:
Dati Sperimentali e previsioni teoricheIl tubo possiede il diametro di 1 cm e lunghezza complessiva di 635 mm, operativamente però la distanza tra i due estremi (batuffoli imbevuti delle due soluzioni) risulta di soli 600 mm.L'anello di fumo bianco si osserva per la prima volta formarsi a 195 mm dall'estremo con acido cloridrico ovvero 405 mm dall'estremo con ammoniaca nel tempo di 270 s circa. Da questi dati possiamo calcolare la velocità in mm/s. Otteniamo la seguente proporzione ordinata: HCl : NH3 = 195 : 405 = 0,72 mm/s : 1,5 mm/s = 1 : 2,077 applicando la relazione di Graham abbiamo quindi sperimentalmente: 0,72 mm/s : 1,5 mm/s = 1 : 2,077 le relative masse molecolari risultano 36,461 : 17,031, le densità teoriche secondo Avogadro 1,6267 : 0,760 pari ad un rapporto delle radici di 1,275 : 0,871 = 1,463 Risultati1) Come ci si aspettava l'anello di fumo bianco di cloruro di ammonio non si forma a metà del tubo ma verso l'estremità sinistra ove si era aggiunto acido cloridrico e fin qui la previsione di Graham risulta corretta poiché l'ammoniaca deve diffondere più velocemente dell'acido cloridrico.2) I dati sperimentali risultano purtroppo piuttosto distanti dal rapporto che ci si aspettava in linea teorica cioè un rapporto: di 1,451 : 1 mentre sperimentalmente si osserva un rapporto 2,077 : 1 corrispondente ad un errore piuttosto elevato: % errore = [ ( | valore sperimentale - valore teorico | ) / (valore teorico) ] o 100% = ( | 2,077 - 1,463 | ) / 1,463 = 42 % errore della propria prova!! 3) Una volta generato l'anello di fumo di cloruro di ammonio risulta spostarsi verso l'estremo di sinistra (con acido cloridrico) alla velocità costante di circa 7,3 mm al minuto. Tale valore risulta circa pari alla differenza di velocità tra i due gas in queste condizioni operative. 
ConclusioniLa prova è stata portata a termine nei termini previsti dal tempo a disposizione (circa 45 minuti). I risultati 1) e 3) si accordano con le precisioni teoriche.Il risultato 2 purtroppo presenta alti errori sperimentali dovuti forse alla diversa diffusione dei gas nel sistema in esame a causa del cotone idrofilo, la non perfetta orizzontalità del tubo (appoggiato al banco di laboratorio), il caricamento non simultaneo delle due estremità come pure non simultaneo la chiusura del tubo con i tappi di gomma o anche la diversa tensione di vapore delle due soluzioni concentrate utilizzate. ApprofondimentiBisogna sottolineare la differenza esistente tra effusione e diffusione: effusione è il termine usato per descrivere il passaggio di un gas attraverso un piccolo orifizio in una camera dove è stato fatto il vuoto (vedi figura sottostante); mentre la diffusione è il fenomeno di trasporto di materia attraverso uno spazio dove esiste già una seconda sostanza o una miscela di sostanze
Per ulteriori informazioni consultaretutti i testi di chimica generale e di chimica-fisicahttp://dwb.unl.edu/chemistry/dochem/dochem080.html http://it.wikipedia.org/wiki/ammoniaca http://it.wikipedia.org/wiki/acido_cloridrico http://www.itchiavari.org/chimica/lab/mmgas.html http://www.sparknotes.com/testprep/books/sat2/chemistry/chapter5section13.rhtml Problemi associati con questo esperimento sono riportati nella letteratura scientifica da W. J. Deal in "Ideal Gas Laws," Journal of Chemical Education 52 (1975), 405-7
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