Hoe verdwijnt helium uit een ballon terwijl deze nauwelijks krimpt

[kaarul]

Het blijkt dat ballonnen gevuld met helium na zo'n 12-16 uur naar beneden zakken. Helaas zelf ervaren met 200 keurig gevulde ballonnen die een dag later allemaal op de grond lagen . Dus een dag van te voren vullen is niet slim, tenzij je een speciale coating of zo gebruikt.
 
Vreemd is echter dat dit zakken niet lijkt te komen doordat het volume afneemt. De ballonnen zijn wel iets gekrompen, maar nog groot genoeg om genoeg stijgvermogen te hebben. De helium is dus gedeeltelijk verdwenen. Dat blijkt ook als je de lucht uit de ballon inademt. De verwachte verhoging van je stemgeluid is veel minder of blijft helemaal weg.
 
Wat is hiervoor een goede verklaring? Is het juist om te denken dat het hier gaat om een soort osmose maar dan voor gassen? Oftewel, de helium gaat naar buiten en zuurstof en stikstof naar binnen, omdat daar de concentratie lager is. Dit fenomeen ken ik alleen niet en zo ja wat is dan de reden voor die concentratiedruk en hoe kan deze groter zijn dan de druk in de ballon zelf?
 

[Jeroen Otten]

Ik zie tegenwoordig de trend opduiken dat men alles dat met verplaatsing en concentratie te maken heeft osmose gaat noemen. Geen idee waarom. Voor de duidelijkheid: je hypothese klopt volledig, alleen moet je het woord osmose in diffusie veranderen. 
 
Helium is het op één na kleinste atoom. Een dunne, uitgerokken wand bezit veel poriën en daar kunnen de heliumatomen na verloop van tijd door. De hoge druk in de ballon komt omdat de stof elastisch is en terug de oorspronkelijke staat probeert te bekomen. De ballon duwt dus nog eens extra tegen de helium. Zuurstof en stikstof gaan naar mijn weten niet uit zichzelf in de ballon.

[Michel Uphoff]

Zuurstof en stikstof gaan naar mijn weten niet uit zichzelf in de ballon.

 
Als we een ballon met lucht vullen loopt hij ook leeg, maar trager dan bij helium. Dus ook voor lucht is de ballon permeabel.
Aanvankelijk is de partieeldruk voor helium buiten de ballon vrijwel nul, en voor zuurstof/stikstof is deze binnen de ballon nul. Dus diffundeert er ook zuurstof en stikstof de ballon in, vanwege het streven naar gelijke partieeldruk binnen en buiten de ballon van alle betrokken gassen.
 
Er zal wel ergens te vinden zijn wat de permeabiliteit voor deze gassen is bij zo'n ballon, en daarmee kan dan waarschijnlijk berekend worden hoeveel helium de ballon verlaat en hoeveel zuurstof/stikstof de ballon binnengaat binnen een bepaalde tijdsduur. Probleem is hierbij wel, dat de druk in de ballon almaar afneemt en mogelijk ook de grootte van de poriën, dus waarschijnlijk is het een complexe berekening.
 
Vanwege de hogere permeabiliteit voor helium zal er minder zuurstof/stikstof de ballon binnengaan dan er helium uit gaat. Uiteindelijk stopt het proces als de druk binnen de ballon gelijk is aan de buitendruk. Als er dan nog wat gas in de ballon achtergebleven is, is dat vrijwel alleen lucht.
 
Verder is het van belang je te realiseren dat als de diameter van de ballon met bijvoorbeeld slechts 20% afneemt, de inhoud nog maar ongeveer de helft is. Dan is er in ieder geval meer dan 50% van het helium uit de ballon verdwenen, en een nog onbekende hoeveelheid zuurstof/stikstof de ballon in gegaan.

[Benm]

Op zich is het wel interessant om te kijken wat er dan nog wel in de ballon zit na een dag - met name hoeveel helium het nog is, wellicht is het geheel vervangen door lucht. Lucht gaat wel degelijk door de wand, zoals opgemerkt lopen met lucht gevulde balonnen na enige tijd ook wel leeg, al duurt dat in de regel langer dan een dag.

Helium heeft sowieso het probleem dat het overal met relatief gemak doorheen gaat, als klein edelgasatoom. Waarschijnlijk zou waterstof er langer in blijven zitten, ook al heeft het maar de halve molecuulmassa. Als experiment wellicht leuk om een keer uit te proberen, maar gezien de brandbaarheid zou het in de praktijk wel eens voor een onbedoelde knalfuif kunnen zorgen.

[Fuzzwood]

Waterstof is nog kleiner, dat past door gaatjes waar helium niet doorheen kan.

[kaarul]

De reden dat ik osmose voor gassen noem is de overeenkomstige fenomeen van concentratie druk. Ik kan dat van gassen alleen niet goed verklaren, zeker gezien de druk in de ballon hoger is dan erbuiten. Wat is de reden voor die druk?
 
Is waterstof (H2) als molecuul inderdaad kleiner dan helium? Ik heb vroeger wel eens met een waterstof ballon geëxperimenteerd (aluminiunfolie in zoutzuur in een fles en dan een ballon erop. Is inderdaad vrij gevaarlijk). Deze wilde ook vrij snel dalen zonder veel in volume af te nemen.
 
Het was trouwens tijdens het opblazen van de ballonnen opmerkelijk hoe weinig helium nodig is om een gewone ballon te laten stijgen. Dit deden we door een met lucht gevulde ballon bij te vullen met wat helium om een zwevende ipv snel stijgende ballon te krijgen. Ongeveer 1 liter helium is al genoeg voor een draagvermogen van 1 gram. (soortelijk gewicht van lucht minus die van heliium). Een ballon van ongeveer 1 gram gaat dus snel omhoog. Natuurlijk moet je wel rekening houden met de druk in de ballon.Ik schat dat de ballonnen ongeveer met 10-12 liter gas gevuld waren. Er waren er inderdaad bij die mogelijk 20% gekrompen waren, maar ook een aantal die nauwelijks waren gekrompen.

[Jeroen Otten]

Osmose is gewoon een verkeerde term, dat is enkel van toepassing als een oplosmiddel diffundeert ipv een opgeloste stof. We zijn hier over helium, zuurstof, stikstof en waterstof bezig, daar komt dus geen enkele oplossing bij kijken.
 

Waterstof is nog kleiner, dat past door gaatjes waar helium niet doorheen kan.

 
Maar een waterstofmolecuul is wel groter dan een heliumatoom.
Dat kan niet anders, tenzij de kernen van de waterstofatomen tegen elkaar zouden zitten (en dat is dan een heliumatoom).

[Benm]

Osmose gebruik je inderdaad alleen bij oplossingen in vloeistof. Bij gassen noem je het diffusie, maar het mechanisme erachter is indentiek, dus erg kwalijk zal ik verwisseling niet nemen.

Voor gassen moet je kijken naar de -partieel-druk, niet de totale druk.

Als je een ballon vult met helium is direct na het vullen de partieeldruk (in de ballon) van helium 1 atmosfeer, en de partieeldruk van zuurstof en stikstof beide 0. Buiten de ballon is de partieeldruk van helium 0, van zuurstof zeg 0.2 atm en van stikstof 0.8 atm.

Er is dus een aanzienlijk verschil in partieeldruk van zuurstof/stikstof tussen de binnen en buitenkant van de ballon, en dat levert een kracht op waardoor zuurstof en stikstof naar binnen willen diffunderen. Dat zal ook gebeuren, als de wand permeabel is.

Overigens is het wel van belang om je te realiseren dat de druk in een ballon hoger lijkt dan die van de atmosfeer. Dat is ook wel zo, maar dat is slechts een extreem gering verschil vergeleken met die partieeldrukken. Voor het idee: de druk binnen een gangbare ballon is niet meer dan 0.01 atm (1%) hoger dan die van de lucht erbuiten - vrijwel verwaarloosbaar tegen de volle 1 atm waar het helium tegenaan kijkt.

[kaarul]

Hmm... interessant. Ook goede opmerking over dat kleine drukverschil.
Ik ben er alleen nog niet achter waarom die zuurstofmoleculen zo graag naar binnen willen. Feitelijk is mijn vraag waar die kracht fysisch op gebaseerd is.
 
Nog even een gedachte experiment. Stel ik vul de ballon met een gas met grotere moleculen dan zuurstof en stikstof, oftewel moleculen die minder makkelijk naar buiten willen. Wordt mijn ballon dan spontaan groter, omdat de zuurstof en stikstof moleculen sneller naar binnen gaan dan de andere stof moleculen naar buiten?
 
 

[Michel Uphoff]

Hier een uitleg van het mechanisme van diffusie (osmose werkt vrijwel hetzelfde, klik).
 

Diffusie 1645 keer bekeken

<ul class="bbcol decimal">[*]Druk, temperatuur en volume is in beide helften initieel gelijk, de getekende situatie links.[*]De afmetingen van het ene gaatje zijn zo dat het membraan alleen permeabel is voor de kleine moleculen).[*]In beide compartimenten bewegen de gasmoleculen in willekeurige richting en met een gemiddelde snelheid.[*]De grote moleculen kunnen niet door het gaatje en blijven dus altijd in het rechter compartiment.[*]Van de vele kleine moleculen links kunnen moleculen vrijelijk door het gaatje naar rechts.[*]Daar aangekomen is de kans dat het molecuul direct door hetzelfde gaatje weer terug gaat zeer gering, het zal daar een fors aantal keren met de grote moleculen en wanden botsen alvorens het terug gaat.[*]Dat geldt ook voor elk opeenvolgende kleine molecuul, net zo lang totdat er zich in beide compartimenten evenveel kleine moleculen bevinden, want dan staat er voor ieder van links naar rechts reizend molecuul er een van rechts naar links tegenover, de partieeldruk is nu dus gelijk. De getekende situatie rechts.[*]Het resultaat is, dat er rechts een overdruk en links een onderdruk ontstaat.[/list]

[Marko]

Waterstof is niet kleiner dan helium, het molecuul H2 is dat niet, maar een los atoom ook niet!

Toch diffundeert waterstof doorgaans makkelijker door membranen, omdat het gemakkelijker een interactie aangaat met het membraanmateriaal (binden aan het oppervlak)

Dat een molecuul H2 uit 2 atomen bestaat heeft overigens nauwelijks invloed op de effectieve diameter. Langs de lengteas van het molecuul is de dwarsdoorsnede immers net zo groot als die van een los atoom. Bewegend in de lengterichting kan het molecuul dus net zo gemakkelijk door openingen, en daardoor is de diffusie niet veel langzamer dan die van een los atoom H.

[Benm]

Nog even een gedachte experiment. Stel ik vul de ballon met een gas met grotere moleculen dan zuurstof en stikstof, oftewel moleculen die minder makkelijk naar buiten willen. Wordt mijn ballon dan spontaan groter, omdat de zuurstof en stikstof moleculen sneller naar binnen gaan dan de andere stof moleculen naar buiten?

Zoals het plaatje van Michel laat zien: Ja dus, mits de ballon elastisch genoeg is om groter te kunnen worden. In een niet-rekbaar geheel loopt de druk op aan de rechterkant, maar als dat een elastische ballon betreft trekt dit gelijk met de druk buiten en wordt de ballon dus groter.

Het enige dat je hiervoor nodig hebt is een ballon die gevuld is met een gas dat niet door de wand kan, maar waarbij zuurstof of stikstof wel door de wand kunnen.

Over de permeabiliteit van gangbare ballonnen voor diverse gassen heb ik geen precies idee, maar het zou bijv best kunnen dat ballonnen gevuld met een zwaar gas als SF6 spontaan groter worden in lucht... even aangenomen dat de wand niet permeabel is voor SF6 maar wel voor zuurstof en/of stikstof.

[kaarul]

Dank allen voor de goede uitleg!
 
Die proef met een zwaar gas zou ik wel eens willen doen of zien.
 
Misschien een leuk idee voor de nationale wetenschapsquiz...

[Benm]

Breng ze maar niet op ideeen...

Overigens is het niet van belang dat het gas zwaar is, maar alleen dat het niet door de ballonwand heen kan om een of andere reden. Ergens voelt het logisch dat grotere moleculen er minder eenvoudig doorheen gaan, maar het tegendeel daarvan wil zich nog wel eens bewijzen. Er staat me een thread bij waarbij ballonnen onverwachts leegliepen omdat CO2 er blijkbaar veel gemakkelijker doorheen gaat dan stikstof of zuurstof.

Wellicht zijn er andere gassen die ook lastig door ballonwanden gaan - misschien iets groots en inerts als argon, of juist iets met een groot dipoolmoment als methylchloride. Ik vrees echter dat dit iets is dat je proefondervindelijk moet vaststellen.

[jkien]

Over de permeabiliteit van gangbare ballonnen voor diverse gassen heb ik geen precies idee, maar het zou bijv best kunnen dat ballonnen gevuld met een zwaar gas als SF6 spontaan groter worden in lucht... even aangenomen dat de wand niet permeabel is voor SF6 maar wel voor zuurstof en/of stikstof.

 

Mijn buurman was gisteren een onvrijwillig proefkonijn voor dat experiment. Hij had een netvliesloslating, en werd geopereerd. De operatie bestaat eruit dat het glasachtig lichaam wordt weggezogen, en dat de ruimte in de oogbol gevuld wordt met gas, dat twee weken moet blijven zitten. Het gas bevat SF6, omdat dat langzaam diffundeert en inert is (terwijl de bekende eigenschap dat SF6 een zwaar gas is er niet toe doet). De diffusie van SF6 naar buiten is zoveel langzamer dan de diffusie van lucht (N2, O2, CO2) naar binnen, dat een niet-opgesloten gasbel van 100% SF6 na zes uur in volume zou verdubbelen. De gasbel in het oog bevat 20% SF6, opgesloten in het oog, dus na 6 uur zou de oogdruk 20% kunnen toenemen. De oogarts controleert dat de oogdruk niet te hoog wordt.