Warum verliert ein Reifen mit CO2 schneller Luft als mit N2/O2-Gemisch?

[Stephan Gerlach]

[Zunächst Crosspost nach de.sci.physik, bei Bedarf nach de.rec.fahrrad
einschränken.]

Normalerweise pumpt man ja ein Gemisch aus ca. 78% Stickstoff und 21%
Sauerstoff in die Reifen.

Neulich hatte ich einen Platten, und ein freundlicher Mitfahrer bot mir
daraufhin beim Wieder-Aufpumpen eine Kohlenstoffdioxid-Kartusche an.
Dieses Angebot habe ich dankenswerterweise angenommen.

Es kam noch der Hinweis: "Du mußt aber morgen bestimmt mal nachpumpen,
mit CO2 läßt der Druck schneller nach als mit Luft".

Tatsächlich war das am nächsten Tag genauso festzustellen.

Warum ist das eigentlich so?
Zunächst dachte ich "klar, kleinere Moleküle diffundieren schneller",
aber bei genauerer Überlegung kam ich dann darauf, daß CO2-Moleküle
eigentlich größer sein müßten als N2- und O2-Moleküle...

Was beeinflußt, wie schnell der Fahrradschlauch den Druck verliert?

1.) Molekülgröße? Offenbar ist das nicht der entscheidende Punkt, siehe
mein "Testergebnis".
2.) Das Verhältnis von Druck im Reifen und außerhalb? Ja, aber wenn das
der alleinig wichtige Punkt wäre, dann müßte der Reifen mit Luft- und
CO2-Befüllung den Druck gleich schnell verlieren.
3.) Material des Schlauchs? Auch das kann nicht ausschlaggebend sein, da
hier immer normale Butyl-Schläuche verwendet wurden. Der gleiche
Schlauch behielt Luft deutlich länger in sich als CO2.
4.) Die Konzentrationsgradienten der Stoffe CO2/N2/O2 innen/außen? Hier
könnte ich mir am ehesten vorstellen, daß das was zu bedeuten hat. Denn
bei Luft-Füllung ist die prozentuale CO2-Konzentration im Reifen genau
gleich wie außen; bei CO2-Füllung ist die Konzentration im Reifen aber
viel größer als außen. Allerdings kommt hier die Frage auf, inwieweit
der Schlauch mit CO2 drin überhaupt als "offenes System" betrachtet
werden kann, so daß das CO2 im Schlauch sozusagen die Luft außen
"sieht"; der Schlauch ist ja wie eine Membran, die den
direkten/sofortigen Konzentrationsausgleich verhindert.
5.) Weitere, bisher nicht genannte Effekte...?

[Carla Schneider]

Post by Stephan Gerlach
[Zunächst Crosspost nach de.sci.physik, bei Bedarf nach de.rec.fahrrad
einschränken.]
Normalerweise pumpt man ja ein Gemisch aus ca. 78% Stickstoff und 21%
Sauerstoff in die Reifen.
Neulich hatte ich einen Platten, und ein freundlicher Mitfahrer bot mir
daraufhin beim Wieder-Aufpumpen eine Kohlenstoffdioxid-Kartusche an.
Dieses Angebot habe ich dankenswerterweise angenommen.
Es kam noch der Hinweis: "Du mußt aber morgen bestimmt mal nachpumpen,
mit CO2 läßt der Druck schneller nach als mit Luft".
Tatsächlich war das am nächsten Tag genauso festzustellen.
Warum ist das eigentlich so?
Zunächst dachte ich "klar, kleinere Moleküle diffundieren schneller",
aber bei genauerer Überlegung kam ich dann darauf, daß CO2-Moleküle
eigentlich größer sein müßten als N2- und O2-Moleküle...
Was beeinflußt, wie schnell der Fahrradschlauch den Druck verliert?
1.) Molekülgröße? Offenbar ist das nicht der entscheidende Punkt, siehe
mein "Testergebnis".
2.) Das Verhältnis von Druck im Reifen und außerhalb? Ja, aber wenn das
der alleinig wichtige Punkt wäre, dann müßte der Reifen mit Luft- und
CO2-Befüllung den Druck gleich schnell verlieren.
3.) Material des Schlauchs? Auch das kann nicht ausschlaggebend sein, da
hier immer normale Butyl-Schläuche verwendet wurden. Der gleiche
Schlauch behielt Luft deutlich länger in sich als CO2.
4.) Die Konzentrationsgradienten der Stoffe CO2/N2/O2 innen/außen? Hier
könnte ich mir am ehesten vorstellen, daß das was zu bedeuten hat. Denn
bei Luft-Füllung ist die prozentuale CO2-Konzentration im Reifen genau
gleich wie außen; bei CO2-Füllung ist die Konzentration im Reifen aber
viel größer als außen. Allerdings kommt hier die Frage auf, inwieweit
der Schlauch mit CO2 drin überhaupt als "offenes System" betrachtet
werden kann, so daß das CO2 im Schlauch sozusagen die Luft außen
"sieht"; der Schlauch ist ja wie eine Membran, die den
direkten/sofortigen Konzentrationsausgleich verhindert.
5.) Weitere, bisher nicht genannte Effekte...?

Die Loeslichkeit von CO2 in Gummi ist viel groesser als die von Stickstoff, war sofort
meine Vermutung.
Als google ich

co2 solubility in butyl rubber

Und finde das hier
https://chemistry.stackexchange.com/questions/54826/why-does-co2-diffuse-through-a-butyl-rubber-membrane-more-readily-than-air?noredirect=1

[Stephan Gerlach]

Post by Carla Schneider

Post by Stephan Gerlach
[Zunächst Crosspost nach de.sci.physik, bei Bedarf nach de.rec.fahrrad
einschränken.]
Normalerweise pumpt man ja ein Gemisch aus ca. 78% Stickstoff und 21%
Sauerstoff in die Reifen.
Neulich hatte ich einen Platten, und ein freundlicher Mitfahrer bot mir
daraufhin beim Wieder-Aufpumpen eine Kohlenstoffdioxid-Kartusche an.
Dieses Angebot habe ich dankenswerterweise angenommen.
Es kam noch der Hinweis: "Du mußt aber morgen bestimmt mal nachpumpen,
mit CO2 läßt der Druck schneller nach als mit Luft".
Tatsächlich war das am nächsten Tag genauso festzustellen.
Warum ist das eigentlich so?
Zunächst dachte ich "klar, kleinere Moleküle diffundieren schneller",
aber bei genauerer Überlegung kam ich dann darauf, daß CO2-Moleküle
eigentlich größer sein müßten als N2- und O2-Moleküle...
Was beeinflußt, wie schnell der Fahrradschlauch den Druck verliert?
1.) Molekülgröße? Offenbar ist das nicht der entscheidende Punkt, siehe
mein "Testergebnis".
2.) Das Verhältnis von Druck im Reifen und außerhalb? Ja, aber wenn das
der alleinig wichtige Punkt wäre, dann müßte der Reifen mit Luft- und
CO2-Befüllung den Druck gleich schnell verlieren.
3.) Material des Schlauchs? Auch das kann nicht ausschlaggebend sein, da
hier immer normale Butyl-Schläuche verwendet wurden. Der gleiche
Schlauch behielt Luft deutlich länger in sich als CO2.
4.) Die Konzentrationsgradienten der Stoffe CO2/N2/O2 innen/außen? Hier
könnte ich mir am ehesten vorstellen, daß das was zu bedeuten hat. Denn
bei Luft-Füllung ist die prozentuale CO2-Konzentration im Reifen genau
gleich wie außen; bei CO2-Füllung ist die Konzentration im Reifen aber
viel größer als außen. Allerdings kommt hier die Frage auf, inwieweit
der Schlauch mit CO2 drin überhaupt als "offenes System" betrachtet
werden kann, so daß das CO2 im Schlauch sozusagen die Luft außen
"sieht"; der Schlauch ist ja wie eine Membran, die den
direkten/sofortigen Konzentrationsausgleich verhindert.
5.) Weitere, bisher nicht genannte Effekte...?

Die Loeslichkeit von CO2 in Gummi ist viel groesser als die von Stickstoff, war sofort
meine Vermutung.

Also ist die Löslichkeit von Gasen in Feststoffen(!) (wenn man Gummi als
Feststoff auffaßt?!) entscheidend...

Post by Carla Schneider
Als google ich
co2 solubility in butyl rubber
Und finde das hier
https://chemistry.stackexchange.com/questions/54826/why-does-co2-diffuse-through-a-butyl-rubber-membrane-more-readily-than-air?noredirect=1

... Und weiterhin hängt diese Löslichkeit offenbar *nicht* in erster
Linie von der Molekül-Größe des zu lösenden Gases ab. Insgesamt ist das
Ganze offenbar ein nicht-triviales Problem.

[Carla Schneider]

Post by Stephan Gerlach

Post by Carla Schneider

Post by Stephan Gerlach
[Zunächst Crosspost nach de.sci.physik, bei Bedarf nach de.rec.fahrrad
einschränken.]
Normalerweise pumpt man ja ein Gemisch aus ca. 78% Stickstoff und 21%
Sauerstoff in die Reifen.
Neulich hatte ich einen Platten, und ein freundlicher Mitfahrer bot mir
daraufhin beim Wieder-Aufpumpen eine Kohlenstoffdioxid-Kartusche an.
Dieses Angebot habe ich dankenswerterweise angenommen.
Es kam noch der Hinweis: "Du mußt aber morgen bestimmt mal nachpumpen,
mit CO2 läßt der Druck schneller nach als mit Luft".
Tatsächlich war das am nächsten Tag genauso festzustellen.
Warum ist das eigentlich so?
Zunächst dachte ich "klar, kleinere Moleküle diffundieren schneller",
aber bei genauerer Überlegung kam ich dann darauf, daß CO2-Moleküle
eigentlich größer sein müßten als N2- und O2-Moleküle...
Was beeinflußt, wie schnell der Fahrradschlauch den Druck verliert?
1.) Molekülgröße? Offenbar ist das nicht der entscheidende Punkt, siehe
mein "Testergebnis".
2.) Das Verhältnis von Druck im Reifen und außerhalb? Ja, aber wenn das
der alleinig wichtige Punkt wäre, dann müßte der Reifen mit Luft- und
CO2-Befüllung den Druck gleich schnell verlieren.
3.) Material des Schlauchs? Auch das kann nicht ausschlaggebend sein, da
hier immer normale Butyl-Schläuche verwendet wurden. Der gleiche
Schlauch behielt Luft deutlich länger in sich als CO2.
4.) Die Konzentrationsgradienten der Stoffe CO2/N2/O2 innen/außen? Hier
könnte ich mir am ehesten vorstellen, daß das was zu bedeuten hat. Denn
bei Luft-Füllung ist die prozentuale CO2-Konzentration im Reifen genau
gleich wie außen; bei CO2-Füllung ist die Konzentration im Reifen aber
viel größer als außen. Allerdings kommt hier die Frage auf, inwieweit
der Schlauch mit CO2 drin überhaupt als "offenes System" betrachtet
werden kann, so daß das CO2 im Schlauch sozusagen die Luft außen
"sieht"; der Schlauch ist ja wie eine Membran, die den
direkten/sofortigen Konzentrationsausgleich verhindert.
5.) Weitere, bisher nicht genannte Effekte...?

Die Loeslichkeit von CO2 in Gummi ist viel groesser als die von Stickstoff, war sofort
meine Vermutung.

Also ist die Löslichkeit von Gasen in Feststoffen(!) (wenn man Gummi als
Feststoff auffaßt?!) entscheidend...

Es gibt auch ein schoenes Beispiel fuer kristalline Feststoffe:
Palladium speichert grosse Mengen Wasserstoff und laesst ihn auch gut durchdiffundieren.

Post by Stephan Gerlach

Post by Carla Schneider
Als google ich
co2 solubility in butyl rubber
Und finde das hier
https://chemistry.stackexchange.com/questions/54826/why-does-co2-diffuse-through-a-butyl-rubber-membrane-more-readily-than-air?noredirect=1

... Und weiterhin hängt diese Löslichkeit offenbar *nicht* in erster
Linie von der Molekül-Größe des zu lösenden Gases ab. Insgesamt ist das
Ganze offenbar ein nicht-triviales Problem.

Vielleicht bei Edelgasen...

[Rolf Bombach]

Post by Carla Schneider
Palladium speichert grosse Mengen Wasserstoff und laesst ihn auch gut durchdiffundieren.

Der Wasserstoff diffundiert da schon schnell durch, vorausgesetzt
die Palladium-"Folie" ist extrem dünn, quasi abzählbare Atomschichten,
und auf sehr hoher Temperatur, Rotglut ist da nicht schlecht.
Kommerzielle Separatoren bestehen daher aus porösen Keramikrohren
mit dieser "Folie" aussen drauf.

[Roland Franzius]

Post by Stephan Gerlach

Post by Carla Schneider

Post by Stephan Gerlach
[Zunächst Crosspost nach de.sci.physik, bei Bedarf nach de.rec.fahrrad
einschränken.]
Normalerweise pumpt man ja ein Gemisch aus ca. 78% Stickstoff und 21%
Sauerstoff in die Reifen.
Neulich hatte ich einen Platten, und ein freundlicher Mitfahrer bot mir
daraufhin beim Wieder-Aufpumpen eine Kohlenstoffdioxid-Kartusche an.
Dieses Angebot habe ich dankenswerterweise angenommen.
Es kam noch der Hinweis: "Du mußt aber morgen bestimmt mal nachpumpen,
mit CO2 läßt der Druck schneller nach als mit Luft".
Tatsächlich war das am nächsten Tag genauso festzustellen.
Warum ist das eigentlich so?
Zunächst dachte ich "klar, kleinere Moleküle diffundieren schneller",
aber bei genauerer Überlegung kam ich dann darauf, daß CO2-Moleküle
eigentlich größer sein müßten als N2- und O2-Moleküle...
Was beeinflußt, wie schnell der Fahrradschlauch den Druck verliert?
1.) Molekülgröße? Offenbar ist das nicht der entscheidende Punkt, siehe
mein "Testergebnis".
2.) Das Verhältnis von Druck im Reifen und außerhalb? Ja, aber wenn das
der alleinig wichtige Punkt wäre, dann müßte der Reifen mit Luft- und
CO2-Befüllung den Druck gleich schnell verlieren.
3.) Material des Schlauchs? Auch das kann nicht ausschlaggebend sein, da
hier immer normale Butyl-Schläuche verwendet wurden. Der gleiche
Schlauch behielt Luft deutlich länger in sich als CO2.
4.) Die Konzentrationsgradienten der Stoffe CO2/N2/O2 innen/außen? Hier
könnte ich mir am ehesten vorstellen, daß das was zu bedeuten hat. Denn
bei Luft-Füllung ist die prozentuale CO2-Konzentration im Reifen genau
gleich wie außen; bei CO2-Füllung ist die Konzentration im Reifen aber
viel größer als außen. Allerdings kommt hier die Frage auf, inwieweit
der Schlauch mit CO2 drin überhaupt als "offenes System" betrachtet
werden kann, so daß das CO2 im Schlauch sozusagen die Luft außen
"sieht"; der Schlauch ist ja wie eine Membran, die den
direkten/sofortigen Konzentrationsausgleich verhindert.
5.) Weitere, bisher nicht genannte Effekte...?

Die Loeslichkeit von CO2 in Gummi ist viel groesser als die von
Stickstoff, war sofort meine Vermutung.

Also ist die Löslichkeit von Gasen in Feststoffen(!) (wenn man Gummi als
Feststoff auffaßt?!) entscheidend...

Post by Carla Schneider
Als google ich
co2 solubility in butyl rubber
Und finde das hier
https://chemistry.stackexchange.com/questions/54826/why-does-co2-diffuse-through-a-butyl-rubber-membrane-more-readily-than-air?noredirect=1

... Und weiterhin hängt diese Löslichkeit offenbar *nicht* in erster
Linie von der Molekül-Größe des zu lösenden Gases ab. Insgesamt ist das
Ganze offenbar ein nicht-triviales Problem.

Die Löslichkeit bestimmt sich aus der Oberflächenarbeit, die zur
Überwindung der Grenzfläche aufgebracht oder gewonnen wird. Die
Grenzschicht bilden die nicht abgesättigten Elektronen der Moloküle in
der Randschicht. Kommt ein Fremdmolkül der Grenzschicht nahe, gibt es
zwei Möglichkeiten:

Ergibt sich für die äußeren Elektronen in Kombination eine geringere
Energie, dann wird das Molekül unter Abgabe eines äußeren Elektrons an
das Elektronenkontinuum des Festkörpers absorbiert.

Die Diffusion des um ein Außenelektron verkleinerten Ions im Inneren des
Festkörpers hängt dann von der Sprungwahrscheinlichkeit des gestrippten
Fremdmolküls von Gitterplatz zu Gitterplatz ab und das ist ein
quantenmechanischer Tunnelprozess, dessen Zeitkonstante exponentiell von
der Höhe * Breite der energetischen Barriere abhängt, die von
Elektronenkontinuum und den Atomrümpfen aufgebaut, zwischen zwei
Gitterzellen existiert.

Sind hingegen die Randzustände des Elektronengases im Festkörper
quantenmechanisch voll besetzt mit einer endlichen Quantenlücke für
jedes zusätzliche Elektron, bekommt man das Gas nur mit Drücken in den
Festkörper, dessen Energiedichts pro Teilchen diese Lücke übersteigt.

Oberflächendruck ist gleich kinetischer Energiedichte im Volumen:
kg m/s^2 /m^2 = kg m^2/s^2 /m^3

Eklatantestes Beispiel ist die unglaubliche Löslichkeit des Wasserstoffs
in Metallen. Da Wasserstoff H_2 im Prinzip beide Elektronen spenden
kann, können sich die unendlich kleinen nackten Protonen an energetisch
passenden Stellen im Gitter verstecken und sind dann sowas wie freie
schwere positive Eletronen.

Eine zweite Paradigmengruppe sind die biologischen
Zellmembrantransportmaschinen für Protonen und einwertige Metalle.

Das Pumpenmolekül in der Membran greift sich im Elektrolyt Außen ein
passendes Ion. Das hat eine gesättigte Schale und ist daher klein und
hart. Das wird dann unter Benutzung der Energie eines ATP-Moleküls in
der rotierenden Struktur der Pumpe in die Zelle gepumpt und erhöht dort
Druck und elektrisches Potential.

[Anton Ertl]

Post by Stephan Gerlach
[Zunächst Crosspost nach de.sci.physik, bei Bedarf nach de.rec.fahrrad
einschränken.]
Normalerweise pumpt man ja ein Gemisch aus ca. 78% Stickstoff und 21%
Sauerstoff in die Reifen.
Neulich hatte ich einen Platten, und ein freundlicher Mitfahrer bot mir
daraufhin beim Wieder-Aufpumpen eine Kohlenstoffdioxid-Kartusche an.
Dieses Angebot habe ich dankenswerterweise angenommen.
Es kam noch der Hinweis: "Du mußt aber morgen bestimmt mal nachpumpen,
mit CO2 läßt der Druck schneller nach als mit Luft".
Tatsächlich war das am nächsten Tag genauso festzustellen.
Warum ist das eigentlich so?
Zunächst dachte ich "klar, kleinere Moleküle diffundieren schneller",
aber bei genauerer Überlegung kam ich dann darauf, daß CO2-Moleküle
eigentlich größer sein müßten als N2- und O2-Moleküle...

Genau, sie sind groesser und schwerer (bewegen sich daher langsamer),
daher diffundieren sie normalerweise langsamer.

Post by Stephan Gerlach
Was beeinflußt, wie schnell der Fahrradschlauch den Druck verliert?
1.) Molekülgröße? Offenbar ist das nicht der entscheidende Punkt, siehe
mein "Testergebnis".
2.) Das Verhältnis von Druck im Reifen und außerhalb? Ja, aber wenn das
der alleinig wichtige Punkt wäre, dann müßte der Reifen mit Luft- und
CO2-Befüllung den Druck gleich schnell verlieren.
3.) Material des Schlauchs? Auch das kann nicht ausschlaggebend sein, da
hier immer normale Butyl-Schläuche verwendet wurden. Der gleiche
Schlauch behielt Luft deutlich länger in sich als CO2.

Ja, aber es kann sein, dass Butylkautschuk fuer CO2 durchlaessiger ist
als fuer Sauerstoff oder Stickstoff (es ist auch naheliegend, dass es
fuer die Hauptbestandteile der Luft besonders undurchlaessig ist,
dafuer wurde das Material ja ausgewaehlt). Das kannst Du
z.B. bezueglich Wasser bei PET beobachten, indem Du eine mit Wasser
gefuellte PET-Flasche ein paar Jahre lang stehen laesst: Wasser
diffundiert aus der Flasche, die Luft kommt nicht in gleichem Mass
hinein, und als Ergebnis wird die Flasche vom Luftdruck
zusammengedrueckt
<http://blog.stuffedcow.net/2018/04/hygroscopic-pet-bottles/>.

Post by Stephan Gerlach
4.) Die Konzentrationsgradienten der Stoffe CO2/N2/O2 innen/außen?

Bei dem Ueberdruck, den Du normalerweise im Schlauch hast, sollte das
keine grosse Rolle spielen.

Post by Stephan Gerlach
Hier
könnte ich mir am ehesten vorstellen, daß das was zu bedeuten hat. Denn
bei Luft-Füllung ist die prozentuale CO2-Konzentration im Reifen genau
gleich wie außen; bei CO2-Füllung ist die Konzentration im Reifen aber
viel größer als außen. Allerdings kommt hier die Frage auf, inwieweit
der Schlauch mit CO2 drin überhaupt als "offenes System" betrachtet
werden kann, so daß das CO2 im Schlauch sozusagen die Luft außen
"sieht";

Soweit ich das mit der Diffusion verstehe, ist das ein statistischer
Prozess. Du hast draussen ~0.8bar N2-Partialdruck, ~0.2 bar
O2-Partialdruck, und, drinnen mit Luft vielleicht 4 bar N2, 1 bar O2.
Wenn in einem bestimmten Zeitraum z.B. 4g N2 und 1g O2 nach draussen
diffundieren, diffundieren in der selben Zeit 0.8g N2 und 0.2g O2 nach
innen. Allerdings werden die Diffusionsraten unterschiedlich sein,
zumindest schon einmal, weil O2 ist ja schwerer ist als N2. Wenn Du
dieselbe Diffusionsrate (bezueglich Masse) bei CO2 haettest, wuerden
bei CO2-Fuellung 5g CO2 herausdiffundieren, waehrend 1g Luft
hineindiffundiert.

- anton

[Fridrich Bartel]

Post by Stephan Gerlach
Es kam noch der Hinweis: "Du mußt aber morgen bestimmt mal nachpumpen,
mit CO2 läßt der Druck schneller nach als mit Luft".
Tatsächlich war das am nächsten Tag genauso festzustellen.

Papa! Wie bringt man so ein Hirn wenigstens auf Erbsengröße?
Papa: Man bläst es auf. Aber mit normaler Luft.