Hidrógeno. Pero eso sorprenderá a mucha gente. Vea la discusión hacia abajo para saber por qué piensan helio.
La difusión es un proceso por el cual las cosas se mueven debido a una serie de sacudidas aleatorias. Suponga que puede pintar algunos átomos de helio en rojo y verlos moverse a través de un recipiente lleno de átomos de helio azules, luego puede medir el coeficiente de difusión para la auto-difusión .
Difusión: Wikipedia muestra esta genial ilustración gráfica de eso en esta imagen animada:
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- ¿Podríamos hacer aeronaves hechas de algo que no sea helio o hidrógeno?
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La auto-difusión se refiere a partículas que se difunden a través de partículas que son idénticas a sí mismas.
Ese mismo sitio web también da la siguiente ecuación para el coeficiente de difusión. Cuanto mayor sea el coeficiente de difusión, más rápido los átomos o las moléculas tienden a cubrir la distancia, en promedio.
Donde [math] v_T [/ math] es la velocidad promedio de los átomos
y [math] l [/ math] es la distancia que viajaría uno de los átomos, en promedio, antes de chocar con otro átomo. También conocido como el camino libre medio.
En esas dos ecuaciones, T es temperatura (temperatura absoluta) y P es presión. La constante, [matemáticas] k_B [/ matemáticas], es la constante de Boltzmann. La constante, [math] \ pi [/ math], es 3.14159 … yd es el “diámetro” de los átomos. En realidad es un diámetro equivalente. Es el diámetro del área de la sección transversal de colisión. La variable final, m, es la masa de la partícula.
Si fija la temperatura y la presión y desea ver qué objeto se difunde más rápido, deberá conocer la masa de la partícula y su diámetro de sección transversal de colisión.
Ambos parámetros aparecen en el denominador, por lo que cuanto más pequeña es la masa de la partícula, más rápido se difunde, y cuanto más pequeña es su área de sección transversal de colisión, más rápido se difunde.
Has preguntado sobre hidrógeno y helio. El helio tiene una masa atómica 4 y es un gas noble, que básicamente no reacciona químicamente, por lo que el helio permanece en su forma atómica. El hidrógeno tiene una masa atómica de 1, pero reacciona y forma moléculas de hidrógeno con una masa atómica de 2. Las moléculas de hidrógeno son la mitad de la masa de los átomos de helio. Simplemente mirando la ecuación anterior para [math] v_T [/ math] y esperaría que el hidrógeno se difunda más rápido (a través del hidrógeno) que el helio se difundiría (a través del helio). La relación de masas es 2, pero ese m aparece debajo de una raíz cuadrada, por lo que solo en base a esto, esperarías que el hidrógeno se difunda más rápido por la raíz cuadrada de 2, o 1.41 veces más rápido que el helio.
Pero la misa no es toda la historia. ¿Qué pasa con el tamaño del área de la sección transversal de colisión?
Este sitio web, Sección transversal de colisión, proporciona el área de sección transversal de colisión en una tabla (Fig. 1.1). Aquí está lo que nos importa:
H2 0.27 nm ^ 2
He 0.21 nm ^ 2
Estas son áreas, por lo que son proporcionales a [matemáticas] d ^ 2 [/ matemáticas]. La relación de estos es 1.29. Según estos, el helio se difundiría más rápido por ese factor de 1.29. Eso es porque el átomo de helio es más pequeño que una molécula de hidrógeno. Pero tenemos que combinar los dos efectos, masa y tamaño. El hidrógeno gana. Gana por el factor de 1.41 / 1.29 = 1.1. Entonces, las moléculas de hidrógeno se difundirían a través de moléculas de hidrógeno aproximadamente un 10% más rápido que los átomos de helio se difundirían a través de átomos de helio con ambos gases a la misma temperatura y presión.
Entonces, ¿por qué la gente piensa que el helio se difunde más rápido?
La sabiduría convencional es que los átomos de helio son más pequeños que las moléculas de hidrógeno y, por lo tanto, pueden deslizarse a través de espacios pequeños con mayor facilidad. Están pensando en gases que se difunden a través de barreras sólidas, como las pieles de globos. También están pensando en filtraciones a través de pequeñas grietas. Es cierto que el helio es la sustancia más permeable . Si llenara dos globos de fiesta, uno con helio y el otro con hidrógeno, el globo de helio perdería su gas más rápido.
Aunque un átomo de hidrógeno es el número atómico 1 y el helio es el número atómico 2, un átomo de helio es más pequeño que incluso un átomo de hidrógeno, no importa una molécula de hidrógeno.
Radio atómico: Wikipedia dice que el radio de un átomo de helio es 31 pm (picómetros). Entonces su diámetro es 62 pm.
También dice que un átomo de hidrógeno tiene un radio de 53 pm (diámetro de 106 pm)
Pero un aspecto aún más importante es que el hidrógeno forma una molécula, [matemáticas] H_2 [/ matemáticas].
Molécula: Wikipedia dice que la longitud de un enlace de molécula de hidrógeno es 0.74 Å. Eso es igual a 74 pm. Supongo que se “mide” desde el centro de un átomo de hidrógeno hasta el centro del otro átomo de hidrógeno. Entonces, la longitud total de un átomo de hidrógeno es de aproximadamente 180 pm.
El helio es un gas noble y básicamente no reacciona. Por lo tanto, permanece en forma atómica. Penetra en agujeros increíblemente pequeños, mientras que una molécula de hidrógeno debe atravesar los dos extremos de un largo “palo” a través del agujero. Y los bultos en el extremo del palo son cada uno más grandes que el átomo de helio.
Es por eso que el helio se difunde más rápido que el H2 a través de los sólidos y también se escapa más rápido a través de pequeños pasajes.
Por lo tanto, su pregunta es una de esas preguntas que depende de lo que quiera decir .
