Das Volumen wird für jeden Aggregatzustand unterschiedlich gemessen, und dieses Tutorial vermittelt alle drei Techniken in einer Sitzung. Eine Flüssigkeit kann in einen Messzylinder gegossen und direkt abgelesen werden – vorausgesetzt, der Messwert wird am tiefsten Punkt des Meniskus abgelesen, der Krümmung, die die Oberflächenspannung der Flüssigkeit am Glas bildet. Ein Feststoff, insbesondere ein unregelmässiger, den kein Lineal erfassen kann, wird durch Verdrängung gemessen: In ein randvoll gefülltes Überlaufgefäss eingetaucht, verdrängt er genau sein eigenes Wasservolumen, das in einem Zylinder aufgefangen und abgelesen wird. Ein Gas wird gemessen, indem es Wasser aus einer umgedrehten, wassergefüllten Bürette verdrängt – das Gas steigt in Blasen auf, der Wasserspiegel sinkt, und die Skala zeigt an, wie viel Platz das Gas beansprucht. In diesem Tutorial messen Sie 70 ml Wasser in einem Messzylinder, bestimmen das Volumen von fünf Bleistücken mit dem Überlaufgefäss und fangen ein Gas über Wasser in einer Bürette auf, während eine Stoppuhr und das Volumen-Zeit-Diagramm des Tablets den Fluss aufzeichnen.
Bildungsziele
Messtechnik für jeden Aggregatzustand
- Messen Sie das Volumen einer Flüssigkeit direkt in einem Messzylinder, indem Sie den Meniskus an seiner Unterseite ablesen.
- Messen Sie das Volumen eines unregelmäßigen Festkörpers durch Wasserverdrängung und das Volumen eines Gases durch Auffangen über Wasser in einer Bürette.
Anwendung physikalischer Prinzipien
- Wende das Verdrängungsprinzip an: Ein vollständig eingetauchter Körper verdrängt unabhängig von seiner Form genau sein eigenes Volumen an Flüssigkeit.
- Erkenne, dass sich ein Gas ausdehnt, um jeden Raum auszufüllen, der ihm zur Verfügung steht, weshalb sein Volumen aus dem abgelesen werden muss, was es verdrängt.
Instrumentenhandhabung
- Montieren Sie das Gasauffanggerät – Stativ, Klammer, umgekehrte Bürette, Verbindungsschlauch und Gasflasche – in der richtigen Reihenfolge, und handhaben Sie dichte Feststoffe mit einer Pinzette.
Lesen und Aufnehmen
- Wählen Sie den für das zu messende Volumen geeigneten Messzylinder aus und verwenden Sie das Volumen-Zeit-Diagramm des Tablets, um einen Messwert abzulesen, der sich während der Erfassung verändert.
Protokoll
TEIL 1: Messen des Volumens einer Flüssigkeit
- Gießen Sie in den passenden Messzylinder 70 ml Leitungswasser.
- Überprüfen Sie die Unterkante des Meniskus des Messzylinders, um das Volumen zu bestätigen.
TEIL 2: Messung des Volumens eines Festkörpers mithilfe eines Überlaufgefäßes
Um das Volumen eines Festkörpers zu messen, können wir die Wasserverdrängung verwenden.
- Fülle mit Leitungswasser eine Vase bis zum Überlaufen bei voller Kapazität vor dem Überlaufen (500 ml). Lasse das überschüssige Wasser in das Spülbecken abfließen.
- Positionieren Sie das Überlaufgefäß wieder an seiner ursprünglichen Stelle links neben der Arbeitsfläche, direkt neben dem 25-ml-Messzylinder (der unter der Überlauföffnung des Überlaufgefäßes platziert wird).
- Legen Sie fünf Bleirollen mit einer Pinzette in das Überlaufgefäß.
- Verwenden Sie das Überlaufwasser aus dem Überlaufgefäß und den Meniskus im Messzylinder, um das Volumen des Feststoffs zu bestimmen.
TEIL 3: Messung des Gasvolumens
Um das Volumen eines Gases zu messen, können wir eine Gasbürette verwenden.
- Füllen Sie ein 1-Liter-Becherglas mit mindestens 800 ml Leitungswasser.
- Stellen Sie den 1-L-Becher rechts neben das Stativ
- Befestigen Sie eine Universal-Klemme oberhalb der Mitte des 1-L-Becherglases, um die Gasbürette zu stützen.
- Füllen Sie den Becher mit 250 ml Leitungswasser.
- Füllen Sie die Gasbürette bis zum Rand aus dem 250-ml-Becher mit Wasser, setzen Sie dann einen Gummistopfen darauf.
Einhandmodus: Befestigen Sie eine Universal-Klemme am Ständer rechts vom Waschbecken und setzen Sie die Gasbürette hinein, um sie bis zum Rand zu füllen, stecken Sie dann einen Gummistopfen auf.
- Befestigen Sie die Gasbürette kopfüber an der Universal-Klemme, sodass die Öffnung mit dem Stopfen nahe dem Boden des 1-Liter-Bechers liegt.
- Den Gummistopfen entfernen (die Spitze der Bürette muss im Becherglas eingetaucht sein).
- Wenn Wasser aus der Bürette fließt, bedeutet dies, dass nicht genügend Wasser im Becherglas ist oder die Bürette zu hoch ist. Wiederholen Sie die Schritte 4 bis 7.
- Platzieren Sie einen Kunststoffverbinder so, dass seine J-förmige Öffnung unter der Öffnung der Gasbürette liegt.
- Verbinden Sie die Gasflaschenarmatur mit dem blauen Kunststoffverbinder.
- Die Stoppuhr starten.
- Öffnen Sie das Ventil des Zylinders (mit der Fingerspitze berühren).
- Lassen Sie das Gas in die Bürette bis zur Hälfte einströmen.
- Schließen Sie das Gasventil und lesen Sie das Volumen auf der Gasbürette ab.
- Stoppen Sie die Stoppuhr.
- Die Ergebnisse werden auch grafisch im Reiter „Ergebnisse“ unter „Volumen vs. Zeit“ angezeigt.
Erwartete Ergebnisse
Dies ist eine praktische Sitzung: Ihr Ergebnis ist die Geläufigkeit im Umgang mit dem Messzylinder, dem Überlaufgefäß und der Gasbürette und weniger eine getestete Hypothese. Jeder Teil hat dennoch einen bestimmten erwarteten Messwert. In Teil 1 sollte der Zylinder am Fuß des Meniskus 70 ml anzeigen. In Teil 2 wiegt ein Stück Blei 34,04 g, sodass die fünf Stücke zusammen 170,2 g wiegen; die Dichte von Blei beträgt 11,34 g/ml, und 170,2 g ÷ 11,34 g/ml ergibt ein Volumen von 15 ml – was genau dem entspricht, was das Überlaufgefäß in den 25-ml-Messzylinder abgeben soll. Die Verdrängungsmethode liefert somit dasselbe Ergebnis wie die Dichteberechnung, und das Erkennen dieser Übereinstimmung beider Wege ist der Sinn der Übung. In Teil 3 handelt es sich bei dem Gas um Luft; die Bürette wird etwa zur Hälfte gefüllt, bevor das Ventil geschlossen wird, und das an ihrer Skala abgelesene Volumen sollte dem Endwert des Volumen-Zeit-Diagramms der Tablette entsprechen. Das über Wasser aufgefangene Volumen überbewertet das trockene Gas leicht, da die eingeschlossene Luft mit Wasserdampf gesättigt ist – eine Verfeinerung, die in den Gaslaboratorien (053 bis 057) behandelt wird.
Zusammenfassung der Aufgaben nach Klassenstufen
9. bis 10. Klasse
Fokus: Korrekte Technik bei allen drei Messungen. Die Schüler lesen den Meniskus auf Augenhöhe ab, führen die Überlaufmessung ohne Wasserverlust durch und bauen die Gasbürette nach Anleitung zusammen. Sie können in eigenen Worten erklären, warum die Verdrängung das Volumen misst und warum die Bürette zu Beginn vollständig mit Wasser gefüllt sein muss.
11. Klasse
Fokus: der quantitative Quervergleich. Die Studierenden sagen das verdrängte Volumen anhand der Dichte voraus, bevor sie Teil 2 durchführen — 170,2 g Blei bei 11,34 g/mL müssen 15 mL verdrängten —, verifizieren dies dann durch Überlauf und erklären eventuelle Abweichungen (am Gefäß haftende Tropfen, Ablesegenauigkeit des Zylinders). In Teil 3 lesen sie das gesammelte Volumen ab und setzen das Volumen-Zeit-Diagramm bei geöffnetem Ventil in Beziehung zur Durchflussrate.
12. Klasse / College-Niveau
Schwerpunkt: Welche Annahmen jeder Methode zugrunde liegen. Die Schüler unterscheiden Verdrängung von Auftrieb – die Messung funktioniert, weil Blei vollständig sinkt, und würde bei einem schwimmenden Feststoff fehlschlagen – und betrachten die Gassammlung kritisch: Die eingeschlossene Luft ist mit Wasserdampf gesättigt und steht unter einem durch die Wasserstände festgelegten Druck, sodass der Wert der Bürette das trockene Gas bei Luftdruck leicht übertrieben darstellt. Sie stellen eine Verbindung zu den Gasgesetzen her und dazu, warum Gasvolumina nur bei angegebener Temperatur und angegebenem Druck vergleichbar sind.
Labor-Grundausstattung
Instrumente
- Bechergläser (1000 mL, 250 mL)
- Gasbürette
- Gasanschluss
- Druckluftflasche
- Messzylinder (10 mL, 25 mL, 70 mL, 250 mL)
- Laborständer & Klemmen
- Überlaufgefäß
- Pinzette
- Stoppuhr
- Gummistopfen
Produkte
- Bleistücke
- Leitungswasser