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

Recientemente aprendí un hecho interesante: que es difícil mezclar gases de 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 que se mezclan no se vuelven a separar.

Me dijeron que la razón por la que esto ocurre es la gran diferencia de densidad. Y luego supongo que la presión de la difusión es mucho menor que la presión ejercida por la gravedad y la diferencia de densidad. Pero horas o días de agitación mecánica suenan excesivos y me hacen preguntarme si hay algo más que la tensión entre las fuerzas de la gravedad y la difusión.

Tengo dos preguntas con respecto a este comportamiento:

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

(2) ¿Existe una forma sencilla de calcular una estimación de cuánto tiempo tardaría el nitrógeno y el helio en mezclarse en un recipiente cerrado (sin agitación mecánica) justo bajo las fuerzas de difusión? - Suponiendo que Él esté arriba.

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

Me parece un mito, especialmente porque, para empezar, un proveedor comercial no mezclará gases en el cilindro. Tendrán dos líneas de gas que se encuentran en una cámara de mezcla y luego canalizan la mezcla resultante a los cilindros. ¿Observó los coeficientes de difusión de estos gases entre sí?
Dado lo barata que es una mezcla de He/N2, es realmente difícil de creer. Además, nunca he visto un problema con la mezcla de N2 y He en varios sistemas de vacío que he usado. La difusividad de He es bastante alta.
@CuriousOne, ¿dónde encontraría coeficientes de difusión para gases específicos entre sí? No creo que el CRC HB de Chem & Physics tenga eso.
@JonCuster quizás no sea un problema en los sistemas de vacío donde la densidad de los gases sería baja. La información que estoy recibiendo es con respecto a los sistemas de alta presión del orden de 2000 psig.
@CuriousOne Mi información proviene de una fuente confiable. Sospecho que la mezcla se realiza en lotes y de acuerdo con las presiones finales para obtener la mezcla deseada en lugar de utilizar un método de flujo radiométrico.
Claro, pero a 2000 psig no sucede nada especial con N2 o con He; siguen siendo básicamente gases ideales (claro, no nos gustaría, pero a ellos no les importa). Y, las mezclas baratas de He/N2 a las que me refiero están en cilindros regulares de tamaño K (la mezcla de He facilita mucho la verificación de fugas). En el otro extremo, tenemos un tanque grande de 200 psi con N2/CO2/SF6; la gente afirma que el SF6 debería separarse rápidamente, pero no vemos evidencia de que lo haga.
@JonCuster Entonces, ¿mezcló los gases usted mismo y probó la mezcla poco después? ¿O te los proporciona el vendedor?
Son suministrados por el vendedor. Sin embargo, tener un equipo especial para rotar los cilindros durante horas o días no sería barato, ¡y yo lo pagaría! Además, después de haber estado en varias giras de compañías de gas especiales, nunca he visto equipos que hicieran ese tipo de cosas. Lo mismo ocurre con las mezclas especiales de buceo profundo que involucran a He.
De hecho, hay informes de que esto es un problema para algunos proveedores médicos de mezclas de respiración anestésica y los hospitales parecen tener tambores para asegurarse de que las mezclas sean correctas. Las escalas de tiempo de mezcla para helio y aire reportadas a presión normal están en el rango de horas, por lo que la pregunta es si esto se suprime significativamente a alta presión. Tiendo a estar de acuerdo con Jon Custer en que este no debería ser el caso.
Hay una gran diferencia entre llenar un cilindro primero con un gas y luego agregar otro gas, y mezclar los dos gases haciéndolos fluir (turbulentamente) en una pequeña cámara de mezcla. Creo que en este último caso podrá lograr una mezcla homogénea muy rápidamente. Esto requiere una turbulencia sustancial: debe disminuir la distancia sobre la cual un gas debe difundirse en el otro. La diferencia de energía natural debida a la gravedad puede triunfar sobre la entropía... al menos durante algún tiempo.
Con base en la evidencia, tengo que decir que este es un caso muy obvio en el que la realidad supera mi intuición (discurso de física para "imaginación") al respecto. Gracias por publicar, considero esto una lección aprendida!
Teniendo en cuenta las aplicaciones médicas y de buceo, ahora tengo curiosidad por saber si, antes de que se descubriera este problema y se manejara adecuadamente, hubo accidentes o incluso muertes considerando que la capa de He estaría en la parte superior del cilindro. Subraya seriamente la necesidad de sensores de O2 en el extremo receptor.

Respuestas (3)

Es cierto. Se requiere equipo especial y mucho tiempo para mezclar helio y nitrógeno. Según un estudio, una mezcla de 2,7% He, 93,3% N 2 a 800 psig requirió una cuna especial para volcar repetidamente el cilindro y 20,5 horas para alcanzar el gas equilibrado, que luego permaneció mezclado: http://doi.org/10.1021/je60005a002 . El helio se deslizó repetidamente de un extremo al otro del cilindro. Los autores superaron esta dificultad al idear un mecanismo de mezclado interno a los cilindros.

El peso molecular del helio es 4,02 y la densidad es 0,1786 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 mezcladas, las moléculas de gas están muy juntas y se mueven bastante con la energía cinética, por lo que permanecen mezcladas y no se separan en capas.

Lo interesante es que el equipo utilizado para mezclar (válvulas, tuberías, etc.) probablemente da como resultado un flujo turbulento en lugar de laminar, por lo que pensaría que la turbulencia y los remolinos proporcionarían una buena mezcla. Eso es lo que me hace pensar que podría haber algo más que la diferencia de densidades. Las fuerzas de Van der Waal son de corto alcance, ¿verdad?
Es como la demostración flotante de yenes. Durante mucho tiempo la gente creyó que la fuerza que hace flotar la moneda es toda tensión superficial. Hice algunos cálculos y resulta que una buena parte de la fuerza es fuerza de flotación (desplazamiento de fluido).
@docscience: cuanto mayor sea el radio atómico y mayor sea el número de capas de electrones, es más probable que los dipolos temporales de van der Waals sean lo suficientemente fuertes como para polarizar átomos adyacentes y atraerlos entre sí. El helio tiene una sola capa de electrones, por lo que no parece ser un fuerte vehículo de van der Waals. Su bajo punto de ebullición (-269 grados C) indica una atracción muy débil entre los átomos de helio. Pero los átomos de He tampoco pueden ser buenos candidatos para la atracción de van der Waals hacia otras moléculas. No sé qué efecto predominaría.
@docscience: si se desplaza hacia abajo hasta aproximadamente la mitad de este enlace, compara los puntos de ebullición de los gases nobles y habla sobre la formación de dipolos temporales en los átomos de He: chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/… . (Las fuerzas de dispersión de las que habla son fuerzas de atracción).
El caso de "horas y horas" fue cuando voltearon el cilindro cada 30 minutos. Invertirlo manualmente cada 5 segundos más o menos lo mezclaría bastante bien en menos de un minuto.
@Kevin Kostlan: La página no dice cuánto tiempo tardó el helio en deslizarse de un extremo al otro. Si tomó 30 minutos, entonces las inversiones más frecuentes no habrían logrado nada.
@Ernie: Dudo que haya tardado más de unos pocos segundos en deslizarse hacia abajo (sin incluir el tiempo para asentarse por completo), según las observaciones de líquidos y gases.

La difusión es un proceso lento a lo largo de un cilindro de gas. La difusividad del helio en el aire es aproximadamente 0.7 cm 2 /s ( fuente ). A 100 atmósferas sería unas cien veces más lento, unas 0.006   metro 2 /día.

No es realmente una respuesta directa a las preguntas originales. Ofrezco dos observaciones que todos experimentaron. 1) Puede escapar de un globo de goma en un día (es decir, atraviesa pequeños agujeros en la goma) 2) Los gases son menos sólidos que la goma. Por lo tanto, Él puede penetrar cualquier gas si se le da el tiempo suficiente.

Pero eso es sólo un milímetro más o menos. La difusión sobre un cilindro de 1 metro tardaría un millón de veces más que la difusión sobre 1 mm.
@Pieter Quizás incluso órdenes de magnitud más largos. La relación puede no ser tan lineal. De todos modos, parece un punto bastante discutible, ya que debemos tener en cuenta cómo la gravedad afectaría a este sistema, que es un problema principal.
Gracias por la aclaración. Ahora leo atentamente las otras respuestas también. El factor más importante es la presión particularmente alta del sistema, que reduce en gran medida el camino libre medio de las moléculas y los átomos (digamos por el factor 100).
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