¿Por qué es difícil mezclar los gases helio y nitrógeno?

Question

Recientemente aprendí un hecho interesante: Que es difícil mezclar los gases helio y nitrógeno en un cilindro de gas comprimido. Los proveedores de gas que necesitan mezclar los dos gases tienen que rotar los cilindros durante horas o incluso días después de inyectar los dos gases para que se mezclen.

Y una vez mezclados, no se separan de nuevo.

Me dijeron que la razón de esto es la gran diferencia en densidades. Y luego supongo que la presión de difusión es mucho menor que la presión ejercida por la gravedad y la diferencia de densidad. Pero horas a días de agitar mecánicamente suena excesivo, y me hace preguntar si hay algo más que ocurre además de la tensión entre las fuerzas de la gravedad y la difusión.

Tengo dos preguntas con respecto a este comportamiento:

(1) ¿Las diferencias de densidad son la única razón por la que es difícil mezclar los dos gases?

(2) ¿Existe una manera sencilla de calcular una estimación de cuánto tiempo tomaría para que el nitrógeno y el helio se mezclaran en un recipiente cerrado (sin agitación mecánica) solo bajo la fuerza de la difusión? - Suponiendo que el helio está arriba.

Con (2) quizás se pueda hacer el mismo cálculo para dos gases con densidades similares como el oxígeno y el nitrógeno para comparación.

Answer 1

Es verdad. Se requiere equipo especial y mucho tiempo para mezclar helio y nitrógeno. Según un estudio, una mezcla de 2.7% de He, 93.3% de N$_2$ a 800 p.s.i.g. requirió una cuna especial para voltear repetidamente el cilindro, y 20.5 horas para alcanzar un gas equilibrado, el cual luego permaneció mezclado: http://doi.org/10.1021/je60005a002. El helio se deslizaba repetidamente de un extremo al otro del cilindro. Los autores superaron esta dificultad ideando un mecanismo de mezcla interno a los cilindros.

El peso molecular del helio es 4.02, y la densidad es .1786 kg/m^3 a temperatura y presión estándar. Para el nitrógeno, el peso molecular es 28.02, y la densidad es 1.2506 kg/m^3. Aquí hay una tabla de peso molecular y densidad para varios gases: http://www.engineeringtoolbox.com/gas-density-d_158.html.

El helio no se mezcla fácilmente con el nitrógeno debido a la gran diferencia en sus densidades. Pero una vez mezclados, las moléculas de gas están cerca unas de otras y se mueven bastante con energía cinética, por lo que permanecen mezcladas y no se separan en capas.

Answer 2

La difusión es un proceso lento a lo largo de la longitud de un cilindro de gas. La difusividad del helio en el aire es de aproximadamente $0.7$ cm$^2$/s (fuente). A 100 atmósferas sería aproximadamente cien veces más lento, alrededor de $0.006\ {\rm m}^2$/día.

Answer 3

No es realmente una respuesta directa a las preguntas originales. Ofrezco dos observaciones que todos han experimentado. 1) Puede escapar de un globo de goma en un día (es decir, puede pasar por agujeros pequeños en goma) 2) Los gases son menos sólidos que la goma. Por lo tanto, puede penetrar cualquier gas dado suficiente tiempo.