Закон Грэма (также известный как закон эффузии, закон Грэхема (неправ.))[1] — закон об относительной скорости истечения разных газов через пористую поверхность или искусственную мембрану при одинаковых условиях. Открыт в 1829 году шотландским химиком Томасом Грэмом.
Эффузия — это процесс медленного истечения газов через маленькие (часто микроскопические) отверстия, например, сквозь различные пористые материалы, при котором отдельные молекулы проникают через отверстие без столкновений между собой. Это происходит, если диаметр отверстия значительно меньше, чем длина свободного пробега молекул. В 1829 году Томас Грэм провел серию экспериментов по эффузии и обнаружил, что при постоянных температуре и давлении скорость истечения газа r обратно пропорциональна квадратному корню из плотности газа d:
Таким образом, чем выше плотность газа, тем ниже скорость эффузии (при постоянных температуре и давлении). Постоянная k (в правой части приведённого выше уравнения) при равных условиях примерно одинакова для всех газов. Как следует из уравнения состояния идеального газа, при постоянных температуре и давлении плотность газа пропорциональна его молярной массе M. Исходя из этого, можно переписать уравнение закона Грэма для двух разных газов следующим образом:
где r1 и r2 — скорости истечения первого и второго газов соответственно, M1 и M2 — их молярные массы. Таким, образом, другая формулировка закона Грэма устанавливает, что скорость эффузии газа обратно пропорциональна корню квадратному из молярной массы (массы его молекул).
Таким образом, если молекулярная масса одного газа в четыре раза больше чем это другого, то он бы диффундировал через пористую поверхность или мембрану с половинной скоростью другого. Полное теоретическое объяснение закона Грэма было дано несколько лет спустя молекулярно-кинетической теорией.
Закон Грэма позволяет объяснить, почему воздушные шарики, наполненные гелием, теряют объём уже через короткое время, в отличие от наполненных воздухом. Лёгкий гелий, имеющий относительную молекулярную массу 4, проникает сквозь поры резины приблизительно в 2,7 раза быстрее, чем воздух (смесь преимущественно азота и кислорода, средняя относительная молекулярная масса 29). Воздушные шарики из металлизированной полиэфирной плёнки со значительно меньшими порами могут удерживать гелий в течение нескольких недель.