Pourquoi

Pourquoi en une nuit, les ballons gonflés à l'hélium se dégonflent-ils alors que ceux gonflés à l'air restent plus longtemps?

Simplement parce que l'hélium n'est pas seulement un gaz très léger, c'est aussi et surtout un gaz monoatomique. Non seulement il n'y a qu'un seul atome dans ses molécules, mais en plus leur diamètre de l'ordre d'un dixième de nanomètre ( un dix-millionième de millimètre), ils peuvent traverser toutes sortes de matériaux (y compris les films métallique). Il est d'ailleurs utilisé pour cela dans l'industrie afin de tester l'étanchéité des systèmes fonctionnant dans le vide.
L'azote et l'oygène quant à eux, leurs molécules  étant beaucoup plus grosse, elles ne peuvent pas passer dans les mailles de l'enveloppe du ballon.
C'est un peu comme si on mettait de la terre dans une passoire, le sable passerait alors que les cailloux seraient arrêtés.