그레이엄의 법칙

그레이엄의 법칙 (Graham's law)은 기체의 확산 또는 유출 속도가 기체 분자량의 제곱근에 반비례한다는 법칙이다. 1829년 스코틀랜드의 화학자 토마스 그레이엄(Thomas Graham)에 의해 실험적으로 밝혀졌다. 이 법칙은 동일한 온도와 압력 조건 하에서 두 기체 A와 B의 확산 또는 유출 속도(r) 비는 다음과 같이 표현될 수 있다.

r_A / r_B = √(M_B / M_A)

여기서 M_A와 M_B는 각각 기체 A와 B의 몰 질량(분자량)을 나타낸다.

원리 및 응용

그레이엄의 법칙은 기체의 운동 에너지와 관련이 있다. 동일한 온도에서 모든 기체 분자는 평균적으로 동일한 운동 에너지를 갖는다. 운동 에너지는 질량과 속도의 제곱에 비례하므로, 분자량이 작은 기체는 분자량이 큰 기체보다 더 빠른 속도로 움직이게 된다. 따라서 분자량이 작은 기체는 더 빠르게 확산되거나 유출된다.

그레이엄의 법칙은 기체의 분리, 기체의 몰 질량 측정 등 다양한 분야에서 응용된다. 예를 들어, 우라늄 농축 과정에서 우라늄-235와 우라늄-238의 기체 확산 속도 차이를 이용하여 분리하는 데 활용된다. 또한 미지의 기체의 확산 속도를 측정하고, 알려진 기체와의 비교를 통해 미지의 기체의 몰 질량을 추정할 수 있다.

한계

그레이엄의 법칙은 이상 기체에 대해 적용되며, 실제 기체에서는 분자 간의 인력이나 분자 자체의 크기 등의 요인으로 인해 오차가 발생할 수 있다. 또한 기체의 압력이 높거나 온도가 낮을수록 이상 기체로부터 벗어나므로 그레이엄의 법칙의 정확도가 떨어진다.