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Loi de Graham : quel gaz s'échappe le plus vite, et de combien ?

Comparez la vitesse d'effusion de deux gaz à partir de leur masse molaire, convertissez un temps d'effusion connu d'un gaz à l'autre et voyez la vitesse moyenne de leurs molécules.

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Résultats

Vitesse d'effusion du gaz 1 ÷ vitesse du gaz 2

3,984

Le gaz 1 est plus léger et s'échappe plus vite
Temps d'effusion de la même quantité de gaz 1
15,06
Vitesse d'effusion du gaz 2 ÷ vitesse du gaz 1
0,251
Vitesse quadratique moyenne du gaz 1 √(3RT/M)
1 904
Vitesse quadratique moyenne du gaz 2
478

Pourquoi un ballon d’hélium se dégonfle plus vite

Gonflez un ballon à l’hélium et un autre à l’air : le premier se ratatine plus tôt. Les petits atomes d’hélium vont plus vite et franchissent plus souvent les minuscules interstices que les molécules plus lourdes de diazote et de dioxygène de l’air. Thomas Graham a mesuré ce phénomène dans les années 1840 et en a tiré une loi simple.

La loi

vitesse₁ ÷ vitesse₂ = √(M₂ ÷ M₁)

où M₁ et M₂ sont les masses molaires des deux gaz. Le temps étant l’inverse de la vitesse, le temps nécessaire pour qu’une même quantité de gaz s’échappe suit le rapport inverse :

temps₁ ÷ temps₂ = √(M₁ ÷ M₂)

D’où vient-elle ?

À une température donnée, les molécules de tous les gaz ont la même énergie cinétique moyenne, ½mv². Si m est plus petite, v doit être plus grande. La vitesse quadratique moyenne vaut :

v = √(3RT ÷ M)

avec R = 8,314 J/(mol·K), T en kelvins et M en kg/mol. À 20 °C, les molécules de dihydrogène se déplacent à environ 1 900 m/s, celles de dioxygène à environ 480 m/s.

Exemple

Comparons le dihydrogène (2,016 g/mol) et le dioxygène (32,00 g/mol) :

  • Rapport des vitesses : √(32,00 ÷ 2,016) = 3,98 : le dihydrogène s’échappe environ quatre fois plus vite.
  • Si une quantité de dioxygène met 60 secondes à fuir par un trou d’épingle, la même quantité de dihydrogène met 60 ÷ 3,98 ≈ 15 secondes.

Trouver une masse molaire inconnue

Mesurez le temps d’effusion d’un gaz inconnu et celui d’un gaz connu par le même orifice, dans les mêmes conditions. Alors M_inconnu = M_connu × (t_inconnu ÷ t_connu)². Ce fut l’une des premières méthodes d’estimation des masses molaires.

Limites

La loi de Graham n’est exacte que pour l’effusion à travers des orifices bien plus petits que la distance parcourue par les molécules entre deux chocs, et pour deux gaz à la même température et à la même pression. Les fuites à travers le caoutchouc ou le plastique dépendent aussi de la dissolution du gaz dans le matériau : le ballon illustre bien l’idée, mais ce n’est pas une mesure précise.

Questions fréquentes

Que dit la loi de Graham ?

La vitesse à laquelle un gaz s'échappe par un très petit orifice (effusion) est inversement proportionnelle à la racine carrée de sa masse molaire : v₁ ÷ v₂ = √(M₂ ÷ M₁). Le chimiste écossais Thomas Graham l'a publiée dans les années 1840.

Pourquoi les gaz légers s'échappent-ils plus vite ?

À même température, toutes les molécules d'un gaz ont la même énergie cinétique moyenne, ½mv². Les molécules légères vont donc plus vite et frappent l'orifice plus souvent. Les molécules de dihydrogène sont environ quatre fois plus rapides que celles de dioxygène.

Quelle différence entre effusion et diffusion ?

L'effusion est la fuite d'un gaz par un trou plus petit que la distance parcourue par les molécules entre deux chocs. La diffusion est le mélange progressif de deux gaz. La loi de Graham est exacte pour l'effusion et seulement approchée pour la diffusion.

Comment la loi de Graham a-t-elle servi à enrichir l'uranium ?

L'hexafluorure d'uranium 235 est environ 0,43 % plus rapide que celui d'uranium 238, car leurs masses molaires valent 349 et 352 g/mol. Les usines de diffusion gazeuse, comme Eurodif au Tricastin jusqu'en 2012, faisaient traverser au gaz des milliers de barrières poreuses en série pour cumuler ce minuscule écart.

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