Chimica fisica

Termodinamica, cinetica ed equilibri: i principi dietro i processi chimici.

6 min di letturaAggiornato il 31/05/2026chimica fisica

In sintesi

  • La diffusione è il mescolamento spontaneo di un gas in un altro o nel vuoto, dovuto al moto disordinato delle molecole.
  • Che la velocità di effusione (o diffusione) di un gas è inversamente proporzionale alla radice quadrata della sua massa molare: r ∝ 1/√M.
  • Perché alla stessa temperatura hanno la stessa energia cinetica media ma, essendo più leggeri, una velocità maggiore (vrms ∝ 1/√M).
  • Permette di determinare la massa molare di un gas incognito confrontandone la velocità di effusione con quella di un gas noto.

Apri un flacone di profumo in un angolo della stanza e dopo poco lo senti dall’altra parte: è la diffusione. Un gas che sfugge lentamente da un forellino sotto vuoto compie invece l’effusione. Entrambi i fenomeni dipendono dalla velocità delle molecole — e quindi dalla loro massa — secondo una legge semplice e potente, la legge di Graham, che ha avuto applicazioni storiche perfino nell’arricchimento dell’uranio.

Vediamo la differenza tra diffusione ed effusione, l’enunciato della legge di Graham e i suoi usi pratici.

Diffusione ed effusione: due fenomeni distinti

La diffusione è il mescolamento spontaneo di un gas in un altro (o nel vuoto) per effetto del moto molecolare: le molecole, urtandosi di continuo, si disperdono fino a distribuirsi uniformemente. L’effusione è invece il passaggio di un gas attraverso un piccolo foro in una parete, verso una regione a pressione minore o nel vuoto, senza urti significativi nel passaggio. Sono fenomeni diversi, ma entrambi tanto più rapidi quanto più veloci sono le molecole — e la velocità molecolare, lo sappiamo dalla teoria cinetica, dipende dalla massa.

La legge di Graham

Thomas Graham stabilì nel 1846 che la velocità di effusione (e di diffusione) di un gas è inversamente proporzionale alla radice quadrata della sua massa molare. Per due gas alla stessa temperatura e pressione, il rapporto delle velocità vale:

r1r2 = √(M2M1)

Attenzione all’inversione degli indici: il gas più leggero effonde più velocemente. La relazione discende direttamente dalla teoria cinetica: poiché vrms ∝ 1/√M, anche la velocità con cui le molecole raggiungono e attraversano il foro segue la stessa dipendenza. Un gas con massa molare quattro volte maggiore di un altro effonderà alla metà della velocità (√4 = 2).

Ea→ molecole capaci di reagireT bassaT altavelocità (o energia) delle molecole →frazione di molecole
Perché i gas leggeri effondono più in fretta. A parità di temperatura le molecole leggere hanno una distribuzione di velocità spostata verso destra (sono più veloci) rispetto alle pesanti. Più molecole veloci significano più molecole che raggiungono e attraversano il foro nell’unità di tempo: di qui la dipendenza da 1/√M della legge di Graham.

Un esempio numerico

Confrontiamo idrogeno (M ≈ 2 g/mol) e ossigeno (M ≈ 32 g/mol). Il rapporto delle velocità di effusione è √(32/2) = √16 = 4: l’idrogeno effonde quattro volte più rapidamente dell’ossigeno. Lo stesso calcolo spiega perché un palloncino gonfiato a elio si sgonfia in un paio di giorni mentre uno gonfiato ad aria dura molto più a lungo: l’elio, leggero, sfugge attraverso i pori della gomma molto più in fretta dei più pesanti azoto e ossigeno dell’aria.

A che cosa serve la legge di Graham

Oltre alla separazione isotopica, la legge di Graham permette di determinare la massa molare di un gas incognito misurandone la velocità di effusione e confrontandola con quella di un gas noto. È anche alla base della comprensione di come i gas si mescolano negli ambienti: un gas leggero si disperde rapidamente, mentre vapori pesanti tendono a ristagnare in basso, un aspetto tutt’altro che secondario nella valutazione del rischio in presenza di sostanze pericolose.

Velocità relative di effusione: alcuni esempi

Prendendo l’ossigeno come riferimento, ecco quanto più velocemente (o lentamente) effondono altri gas, secondo √(MO₂/M):

Gas Massa molare (g/mol) Velocità di effusione (O₂ = 1)
Idrogeno (H₂) 2 4,0 (molto più veloce)
Elio (He) 4 2,8
Metano (CH₂) 16 1,4
Ossigeno (O₂) 32 1,0 (riferimento)
Anidride carbonica (CO₂) 44 0,85 (più lento)

Si vede chiaramente la regola di fondo: a ogni quadruplicazione della massa molare la velocità di effusione si dimezza, perché conta la radice quadrata della massa. La dipendenza dalla sola radice quadrata, e non dalla massa intera, spiega perché le differenze di velocità tra gas non sono drastiche come ci si potrebbe aspettare: anche tra l’idrogeno e l’anidride carbonica, che differiscono di un fattore ventidue in massa, il rapporto delle velocità di effusione è «solo» di circa cinque. Per separare gas o isotopi con masse simili, di conseguenza, serve ripetere il processo molte volte, perché ogni singolo passaggio produce un arricchimento minimo.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra diffusione ed effusione?

La diffusione è il mescolamento spontaneo di un gas in un altro o nel vuoto, dovuto al moto disordinato delle molecole. L’effusione è il passaggio di un gas attraverso un piccolo foro verso una zona a pressione minore. Entrambe dipendono dalla velocità molecolare e quindi dalla massa, secondo la legge di Graham.

Che cosa afferma la legge di Graham?

Che la velocità di effusione (o diffusione) di un gas è inversamente proporzionale alla radice quadrata della sua massa molare: r ∝ 1/√M. Per due gas, r1/r2 = √(M2/M1). Il gas più leggero effonde più velocemente.

Perché i gas leggeri effondono più velocemente?

Perché alla stessa temperatura hanno la stessa energia cinetica media ma, essendo più leggeri, una velocità maggiore (vrms ∝ 1/√M). Più molecole veloci raggiungono e attraversano il foro nell’unità di tempo, quindi l’effusione è più rapida.

A che cosa serve la legge di Graham?

Permette di determinare la massa molare di un gas incognito confrontandone la velocità di effusione con quella di un gas noto. Storicamente è stata sfruttata per l’arricchimento dell’uranio mediante diffusione gassosa, separando gli isotopi 235U e 238U grazie alla minuscola differenza di massa dei loro esafluoruri.

Perché un palloncino a elio si sgonfia prima di uno ad aria?

Perché l’elio è molto più leggero dei gas dell’aria (azoto e ossigeno) e quindi effonde più velocemente attraverso i pori microscopici della gomma. La legge di Graham quantifica questa differenza: a massa molare minore corrisponde una velocità di fuga maggiore.

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