Diffusion von CO2 durch die Luftballonhaut

Hallo!

Ich wollte in einem Experiment im Physik-Unterricht zeigen, dass CO2 eine höhere Dichte als Luft hat. Dazu füllte ich einen Luftballon mit Luft und einen mit CO2 und hängte beide an eine Balkenwaage. Der gewünschte Effekt stellte sich ein: Die Waage neigte sich zur CO2-Seite hin.

Ein Tag später stellte ich fest, dass der CO2-Ballon inzwischen etwa drei Viertel seines Volumens verloren hatte. Mist, einen porösen Luftballon erwischt! Also baute ich heute den Versuch nochmals auf und wieder hatte der CO2-Ballon innerhalb einer oder zwei Stunden einen Großteil seiner Füllung verloren.

Ich glaube mittlerweile nicht mehr an einen „Gerätedeffekt“. Alle drei Luftballons stammten aus derselben Charge und der „Luftluftballon“ hielt seine Luft problemlos bei sich (und das seit Dienstag). Unterschiedliche Diffusion Luft vs. CO2 kann ich mir hervorragend erklären, nur eben mit dem exakt gegenteiligen Ergebnis: Luftmoleküle sind kleiner als CO2-Moleküle. Sie sollten daher leichter diffundieren. Außerdem sind Luftmoleküle masseärmer als CO2-Moleküle, bewegen sich also bei gleicher Temperatur schneller, was ebenfalls dafür spräche, dass Luft schneller diffundiert als CO2.

Hat irgendjemand eine vernünftig Erklärung für diese Beobachtung?

Michael

Hallo!

Ich wollte in einem Experiment im Physik-Unterricht zeigen,
dass CO2 eine höhere Dichte als Luft hat. Dazu füllte ich
einen Luftballon mit Luft und einen mit CO2 und hängte beide
an eine Balkenwaage. Der gewünschte Effekt stellte sich ein:
Die Waage neigte sich zur CO2-Seite hin.

Ein Tag später stellte ich fest, dass der CO2-Ballon
inzwischen etwa drei Viertel seines Volumens verloren hatte.
Mist, einen porösen Luftballon erwischt! Also baute ich heute
den Versuch nochmals auf und wieder hatte der CO2-Ballon
innerhalb einer oder zwei Stunden einen Großteil seiner
Füllung verloren.

Ich glaube mittlerweile nicht mehr an einen „Gerätedeffekt“.
Alle drei Luftballons stammten aus derselben Charge und der
„Luftluftballon“ hielt seine Luft problemlos bei sich (und das
seit Dienstag). Unterschiedliche Diffusion Luft vs. CO2 kann
ich mir hervorragend erklären, nur eben mit dem exakt
gegenteiligen Ergebnis: Luftmoleküle sind kleiner als
CO2-Moleküle. Sie sollten daher leichter diffundieren.
Außerdem sind Luftmoleküle masseärmer als CO2-Moleküle,
bewegen sich also bei gleicher Temperatur schneller, was
ebenfalls dafür spräche, dass Luft schneller diffundiert als
CO2.

Hat irgendjemand eine vernünftig Erklärung für diese
Beobachtung?

Evtl. polares Polymer im Luftballon. Da tun sich die unpolaren Moleküle von „Luft“ also O2, N2, etc. schwerer als das CO2.

Persönliche Theorie ohne Anspruch auf Korrektheit.

moe.

Hallo,

Hat irgendjemand eine vernünftig Erklärung für diese
Beobachtung?

Der Diffusionsstrom ist proportional zum Konzentrationsgradienten des jeweiligen Stoffes.

Und da ich annehme, dass du beide Ballons in einer LUFTumgebung gelagert hast, ist der Teilchen Strom durch die Ballonhaut beim CO2-Ballon um ein vielfaches größer als beim LUFT-Ballon.

Gruß
Oliver

Hallo Oliver,

da hast du schon recht, aber das gilt auch umgekehrt: es müsste genauso Luft in den Ballon hinein diffundieren, anfangs ist ja keine drin.

Eine Erklärung für das Phänomen habe ich im Moment aber auch nicht.

Gruss Reinhard

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]

Hallo Reinhard,

da hast du schon recht, aber das gilt auch umgekehrt: es
müsste genauso Luft in den Ballon hinein diffundieren, anfangs
ist ja keine drin.

Das stimmt, aber mit dem Einströmen der Luft erhöht sich die Luftkonzentration im Ballon und der Konzentrationsgradient wird allmählich abgebaut. Beim Ausströmen des CO2, ändert sich jedoch die CO2-Konzentration der Atmosphäre so gut wie gar nicht. Daher wird sich netto ein Teilchenausstrom einstellen.

Gruß
Oliver

Hallo Reinhard,

da hast du schon recht, aber das gilt auch umgekehrt: es
müsste genauso Luft in den Ballon hinein diffundieren, anfangs
ist ja keine drin.

Das stimmt, aber mit dem Einströmen der Luft erhöht sich die
Luftkonzentration im Ballon und der Konzentrationsgradient
wird allmählich abgebaut. Beim Ausströmen des CO2, ändert sich
jedoch die CO2-Konzentration der Atmosphäre so gut wie gar
nicht. Daher wird sich netto ein Teilchenausstrom einstellen.

Testmöglichkeit: ein O2-Ballon müsste sich dann in etwa so schnell entleeren, wie der CO2-Ballon. Und beide schneller als der Luft-Ballon…

moe.

Hallo!

Vielen Dank für die Antworten bisher, auch wenn ich nicht glaube, dass die richtige Erklärung schon dabei war.

Zur Begründung mit dem Konzentrationsgradienten: Ich glaube, Ihr habt da den entscheidenden Faktor übersehen. In diesem Beispiel ist die treibende Kraft ja nicht das Konzentrationsgefälle (also keine freie Diffusion), sondern der höhere Druck im Inneren des Ballons. Eure Begründung würde meiner Meinung nach nur dann ins Gewicht fallen, wenn der Innendruck und der Außendruck identisch sind.

Eine Erklärung kann meiner Meinung nach nur die unterschiedliche Durchlässigkeit der Gummihaut für die unterschiedlichen Gasarten sein. Ein Argument ging in die Richtung, aber ich kann nicht erkennen, warum Gummi für polare CO2-Moleküle so drastisch durchlässiger sein sollte als für unpolare Moleküle.

Eine weitere Erklärungsmöglichkeit wäre, dass CO2 irgendwie chemisch reagiert. Allerdings ist CO2 nicht gerade als reaktionsfreudig bekannt.

Es würde mich freuen, wenn noch weitere Ideen genannt werden.

Michael

Hallo Michael,

Vielen Dank für die Antworten bisher, auch wenn ich nicht
glaube, dass die richtige Erklärung schon dabei war.

Viel mehr Möglichkeiten gibt es aber kaum noch.

Zur Begründung mit dem Konzentrationsgradienten: Ich glaube,
Ihr habt da den entscheidenden Faktor übersehen. In diesem
Beispiel ist die treibende Kraft ja nicht das
Konzentrationsgefälle (also keine freie Diffusion), sondern
der höhere Druck im Inneren des Ballons. Eure Begründung würde
meiner Meinung nach nur dann ins Gewicht fallen, wenn der
Innendruck und der Außendruck identisch sind.

Du darfst nicht vergessen, dass der Osmotische Druck i.d.R. sehr viel größer ist als die Druckdifferenz an der Ballonhülle. Die Differenz von Innen- und Außendruck dürfte also kaum ins Gewicht fallen.

Eine Erklärung kann meiner Meinung nach nur die
unterschiedliche Durchlässigkeit der Gummihaut für die
unterschiedlichen Gasarten sein. Ein Argument ging in die
Richtung, aber ich kann nicht erkennen, warum Gummi für polare
CO2-Moleküle so drastisch durchlässiger sein sollte als für
unpolare Moleküle.

Eine weitere Erklärungsmöglichkeit wäre, dass CO2 irgendwie
chemisch reagiert. Allerdings ist CO2 nicht gerade als
reaktionsfreudig bekannt.

Richtig und außerdem würde sich die dünne Ballonhülle dann sehr schnell chemisch und physikalisch verändern und ihre mechanische Festigkeit verlieren -> Peng.

Jörg

Hallo Jörg!

Du darfst nicht vergessen, dass der Osmotische Druck i.d.R.
sehr viel größer ist als die Druckdifferenz an der
Ballonhülle. Die Differenz von Innen- und Außendruck dürfte
also kaum ins Gewicht fallen.

Bist Du Dir da so sicher? Klar weiß ich auch, was Osmose ist. Aber die Versuche, die ich dazu kenne, basieren darauf, dass eine Membran zwar für Wasser durchlässig, jedoch undurchlässig für darin gelöste Stoffe ist. Kannst Du mir das mal auf das Luftballonbeispiel übersetzen?

Entweder, wir glauben nicht daran, dass die Gummihaut für CO2 durchlässiger ist als für andere Moleküle. Dann ist die Osmose keine Erklärung für das Phänomen. Oder wir glauben, dass es einen Unterschied gibt. Und dann sind wir wieder bei meiner Frage: Warum geht CO2 leichter durch die Gummihaut durch als Sauerstoff und Stickstoff?

Michael

Hallo ihrs!
Ich finde das ganze auch noch reichlich seltsam. Einglich basiert ja Osmose hauptsächlich auf der Wahrscheinlichkeit, dass sich Teilchen in die eine oder andre Richtung durch die Membran oder was-auch-immer bewegen. (oder?)
Wenn man nun mal annehmen täte, dass sich CO2- und Sauerstoff- und sonstige Moleküle gleichgut durch die Ballonhülle bewegen können, dann müssten ja vom Balloninneren immer ein paar mehr Tailchen raus (weil größerer Druck = Mehr Stöße mit der Hülle = Mehr „Versuche“ durchzukommen) als rein. Dem einzelnen raus- bzw. reingehenden Teilchen dürfte das doch ziemlich wurst sein, wieviele seiner Sorte sich draußen oder drinnen befinden, oder? Wenn mehr CO2-Moleküle drin als draußen rumschwirren, ist dann nicht einfach nur die Wahrscheinlichkeit größer, dass eins der vielen CO2’s rauskommt? Demnach müsste es also bei gleicher Durchlässigkeit der Ballonhülle für CO2 keinerlei osmotischen Effekt geben (eben weil man für Osmose ja eine Membran braucht, die nur für eins der Teilchen durchlässig ist); bei schlechterer Durchlässigkeit würde sich der Ballon sogar von allein aufblasen. (Gibts da nich sogar son Versuch in der Richtung??)
Oder habichn Denkfehler?

Scheint also die Ballonhülle tatsächlich für CO2 durchlässiger zu sein als für die restlichen Gase, so seltsam es klingt… Warum das, kann ich auch nur vermuten:
Erstmal iss CO2 nicht polar wie in nem annern Artikel geschrieben. Es ist linear ( O=C=O ), deswegen wirken sich die Teilladungen nicht auf die Polarität aus. Der einzige Unterschied ist also die Größe… Irgendwie erinnert mich das an Ionenkanäle in Zellen, die kleinere Na+ -Ionen nicht durchlassen, aber die größeren K+ -Ionen schon. Das wird damit erklärt, dass die kleinen Na+ die Lücken im Ionenkanal nicht vollständig ausfüllen können und deswegen immer nur zu einer Seite hin wechselwirken können, was reichlich instabil ist, während die K+ genau reinpassen, wunderbar mit den Ionenkanalwandatomen (mein neues Lieblingswort *g) wechselwirken und durchkommen.
Vielleicht ist das hier was ähnliches?? Die kleineren Luftmoleküle passen nicht zu zweit in die Lücken des Polymers, allein aber lassen sie zu große Zwischenräume zwischen sich und den Ballonhautpolymeratomen; die CO2’s passen -zufelligerweise- perfekt in die Lücken, können wegen ihrer Größe viel bessere Van-der-Waals- Wechselwirkungen ausbilden und wandern deswegen besser durch die Ballonhaut? Nur sone Idee… Kommt mir aber auch wieder komisch vor, weil ja die Lücken im Polymer nicht immer regelmäßig gleichgroß sind? Was ist denn das überhaupt fürn Kunststoff, aus dem Ballons sind?
So, ich hör jetz auf zu labern,
Viele Grüße,
Amöbe

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Hallo Michael,

Du darfst nicht vergessen, dass der Osmotische Druck i.d.R.
sehr viel größer ist als die Druckdifferenz an der
Ballonhülle. Die Differenz von Innen- und Außendruck dürfte
also kaum ins Gewicht fallen.

Bist Du Dir da so sicher? Klar weiß ich auch, was Osmose ist.
Aber die Versuche, die ich dazu kenne, basieren darauf, dass
eine Membran zwar für Wasser durchlässig, jedoch undurchlässig
für darin gelöste Stoffe ist. Kannst Du mir das mal auf das
Luftballonbeispiel übersetzen?

Habe jetzt gerade keine Quelle gefunden, aber der osmotische Druck eines Gases auf die Membrane sollte der Differenz der Partialdrücke dieses Gases auf beiden Seiten entsprechen. Im Falle des CO2 wäre das ein Partialdruck von über 1 bar, mit dem das CO2 von innen gegen die Ballonhülle drückt. Dieser Partialdruck ist eben sehr groß gegenüber der absoluten Druckdifferenz innerhalb und außerhalb der Balonhülle.

Entweder, wir glauben nicht daran, dass die Gummihaut für CO2
durchlässiger ist als für andere Moleküle. Dann ist die Osmose
keine Erklärung für das Phänomen. Oder wir glauben, dass es
einen Unterschied gibt. Und dann sind wir wieder bei meiner
Frage: Warum geht CO2 leichter durch die Gummihaut durch als
Sauerstoff und Stickstoff?

Vielleicht ist es auch ganz anders. Es gibt noch mindestens eine weitere Erklärungsmöglichkeit: Wasserdampf dringt (diffundiert) in den Ballon ein und verbindet sich mit CO2 zu flüssiger Kohlensäure, wodurch sich das Volumen drastisch reduziert.

Jörg