El volum es mesura de manera diferent per a cada estat de la matèria, i aquest tutorial ensenya les tres tècniques en una sola sessió. Un líquid es pot abocar en un cilindre graduat i llegir directament —sempre que la lectura es faci a la base del meniscus, la corba que la tensió superficial del líquid forma contra el vidre. Un sòlid, especialment un de irregular que cap regla no pot abastar, es mesura per desplaçament: submergit en un vas de vessament ple fins a la vora, empeny exactament el seu propi volum d'aigua, que es recull i es llegeix en un cilindre. Un gas es mesura deixant que desplace l'aigua d'una bureta invertida i plena d'aigua —el gas puja en bombolles, el nivell de l'aigua baixa i les graduacions registren quin espai ha ocupat el gas. En aquest tutorial, mesurareu 70 mL d'aigua en un cilindre graduat, determineu el volum de cinc trossos de plom amb el vas de vessament, i recolliu un gas sobre aigua en una bureta mentre un cronòmetre i el gràfic de volum en funció del temps de la tauleta registren el flux.
Objectius educatius
Tècnica de mesura per a cada estat de la matèria
- Mesureu el volum d'un líquid directament en un proveta graduada, llegint a la base del menisc.
- Mesureu el volum d'un sòlid irregular per desplaçament d'aigua, i el volum d'un gas per recollida sobre aigua en una bureta.
Aplicació de principis físics
- Apliqueu el principi de desplaçament: un objecte completament immers desplaça exactament el seu propi volum de fluid, sigui quina sigui la seva forma.
- Reconeixeu que un gas s'expandeix per omplir tot l'espai que se li dona, raó per la qual el seu volum s'ha de llegir a partir del que desplaça.
Manipulació d'instruments
- Munteu l'aparell de recollida de gas —suport, pinça, bureta invertida, connector i bombbona de gas— en l'ordre correcte, i manipuleu els sòlids densos amb pinces.
Lectura i enregistrament
- Trieu el cilindre graduat adequat per al volum que s'està mesurant, i utilitzeu el gràfic de volum en funció del temps de la tauleta per llegir un resultat que canvia mentre s'està recollint.
Protocol
PART 1: Mesurar el volum d'un líquid
- En el cilindre graduat adequat, aboqui 70 ml d'aigua de l'aixeta.
- Comprova la base del menisc del vas de precipitats per confirmar el volum.
PART 2: Mesura del volum d'un sòlid utilitzant un recipient de rebossament
Per mesurar el volum d'un sòlid, podem utilitzar el desplaçament d'aigua.
- Amb aigua de l'aixeta, ompliu un gerro fins que vessi a la seva capacitat màxima abans que caigui (500 ml). Deixeu que l'excés d'aigua degoti a la pica.
- Torna a col·locar el recipient del vessament a la seva posició inicial a l'esquerra del taulell, just al costat del tub de mesura de 25 ml (que es posicionarà sota l'obertura de vessament del recipient del vessament).
- Col·loqueu cinc trossos de plom al recipient de vessament utilitzant unes pinces.
- Utilitzant el vessament del vas de vessament i el menisc al cilindre graduat, determineu el volum del sòlid.
PART 3: Mesurament del volum d'un gas
Per mesurar el volum d'un gas, podem utilitzar un tub de gas.
- Omple un vas de precipitats de 1 L amb almenys 800 ml d'aigua de l'aixeta.
- Col·loca el got de precipitats de 1 L a la dreta del suport.
- Col·loqueu una pinça universal per sobre del centre del vas de precipitats de 1 L, per tal de subjectar la bureta de gas.
- Ompliu el vas de precipitats amb 250 mL d'aigua de l'aixeta.
- Ompliu la bureta de gas a vessar amb aigua del vas de precipitació de 250 ml, després poseu-hi una boça de goma.
Mode a una mà: Fixi una pinça universal al suport a la dreta de la pica i col·loqui-hi la bureta de gas fins a la vora, després insereixi un tap de goma.
- Fixeu la bureta de gas al jou universal a la inversa, de manera que l'obertura amb el tap quedi a prop del fons del recipient d'1 L.
- Retireu el tap de goma (la punta de la bureta ha de quedar submergida dins el recipient).
- Si l'aigua surt de la bureta, significa que no hi ha prou aigua al vas de precipitats o que la bureta està massa alta. Repetiu els passos 4 a 7.
- Col·loca un connector de plàstic de manera que la seva obertura en forma de J quedi sota l'obertura de la bureta de gas.
- Connecteu el cargol del cilindre de gas al connector de plàstic blau.
- Inicia el cronòmetre.
- Obriu la vàlvula del cilindre (toqueu amb la punta del dit).
- Ompliu el tub de gas fins a la meitat amb gas.
- Tanca la vàlvula de gas i llegeix el volum a la bureta de gas.
- Atura el cronòmetre.
- Els resultats també es mostren en forma gràfica a la pestanya Resultats, sota Volum en funció del Temps.
Resultats previstos
Aquesta és una sessió pràctica: el seu resultat és la fluïdesa amb el provetó graduat, el vas de vessament i la bureta de gas, més que no pas una hipòtesi provada. Cada part té igualment una lectura esperada concreta. A la Part 1, el provetó ha de mostrar 70 mL a la base del menisc. A la Part 2, un tros de plom pesa 34,04 g, de manera que els cinc trossos junts pesen 170,2 g; la densitat del plom és de 11,34 g/mL, i 170,2 g ÷ 11,34 g/mL dóna un volum de 15 mL, que és exactament el que el vas de vessament ha de lliurar al provetó graduat de 25 mL. El mètode de desplaçament dóna, doncs, la mateixa resposta que el càlcul de densitat, i veure que aquests dos camins coincideixen és la finalitat de l'exercici. A la Part 3, el gas és aire; es deixa omplir la bureta aproximadament fins a la meitat abans de tancar la vàlvula, i el volum llegit a les seves graduacions ha de coincidir amb el valor final de la gràfica de Volum en funció del Temps de la pastilla. El volum recollit sobre aigua exagera lleugerament el gas sec, ja que l'aire atrapat està saturat de vapor d'aigua, un refinament que s'aborda als laboratoris de gasos (del 053 al 057).
Resum de tasques per rang de qualificació
De 9è a 10è grau
Focus: tècnica correcta en les tres mesures. Els estudiants llegeixen el menisc a l'altura dels ulls, fan la mesura del vessament sense perdre aigua i munten la bureta de gas amb guia. Saben explicar amb les seves pròpies paraules per què el desplaçament mesura el volum i per què la bureta ha de començar completament plena d'aigua.
11è curs
Focus: el control creuat quantitatiu. Els estudiants prediuen el volum desplaçat a partir de la densitat abans de dur a terme la Part 2 —170,2 g de plom a 11,34 g/mL han de desplaçar 15 mL—, després el verifiquen per desbordament i tenen en compte qualsevol dèficit (gotes adherides al recipient, precisió de lectura del cilindre). A la Part 3 llegeixen el volum recollit i relacionen el gràfic de volum en funció del temps amb el cabal mentre la vàlvula estava oberta.
12è curs / Nivell universitari
Focus: el que cada mètode assumeix. Els estudiants distingeixen el desplaçament de la flotabilitat —el mètode funciona perquè el plom s'amara completament, i fallaria en el cas d'un sòlid flotant— i tracten la recollida de gas amb esperit crític: l'aire atrapat està saturat de vapor d'aigua i es troba a una pressió determinada pels nivells d'aigua, de manera que la lectura de la bureta sobreestima lleugerament el gas sec a pressió atmosfèrica. Això ho relacionen amb les lleis dels gasos i amb el motiu pel qual els volums de gasos només són comparables a una temperatura i pressió determinades.
Equipament de laboratori
Instruments
- Vasos de precipitats (1000 mL, 250 mL)
- bureta de gasos
- Connector de gas
- Ampolla de gas (aire)
- Provetes graduades (10 mL, 25 mL, 70 mL, 250 mL)
- Banc de laboratori i pinces
- Vas d'expansió
- Pinces
- Cronòmetre
- Tap de goma
Productes
- Trossos de plom
- Aigua de l'aixeta