El volumen se mide de manera distinta para cada estado de la materia, y este tutorial enseña las tres técnicas en una sola sesión. Un líquido se puede verter en una probeta graduada y leer directamente —siempre y cuando la lectura se tome en la base del menisco, la curva que la tensión superficial del líquido forma contra el vidrio—. Un sólido, especialmente uno irregular que ninguna regla puede capturar, se mide por desplazamiento: sumergido en un recipiente de rebose lleno hasta el borde, empuja exactamente su propio volumen de agua, el cual se recolecta y se lee en una probeta. Un gas se mide dejando que desplace agua de una bureta invertida y llena de agua —el gas burbujea hacia arriba, el nivel del agua baja y las graduaciones registran cuánto espacio ha reclamado el gas—. En este tutorial, medirá 70 mL de agua en una probeta graduada, determinará el volumen de cinco piezas de plomo con el recipiente de rebose y recolectará un gas sobre agua en una bureta mientras un cronómetro y la gráfica de Volumen frente a Tiempo de la tableta registran el flujo.
Metas educativas
Técnica de medición para cada estado de la materia
- Mida el volumen de un líquido directamente en una probeta graduada, leyendo en la base del menisco.
- Mida el volumen de un sólido irregular mediante desplazamiento de agua, y el volumen de un gas mediante recolección sobre agua en una bureta.
Aplicación de principios físicos
- Aplica el principio de desplazamiento: un objeto totalmente sumergido desplaza exactamente su propio volumen de líquido, sin importar su forma.
- Reconozca que un gas se expande para ocupar todo el espacio que se le da, razón por la cual su volumen debe leerse a partir de lo que desplaza.
Manejo de instrumentos
- Arme el aparato de recolección de gas —soporte, pinza, bureta invertida, conector y cilindro de gas— en el orden correcto y manipule los sólidos densos con pinzas.
Lectura y grabación
- Elija la probeta graduada apropiada para el volumen que se está midiendo y use la gráfica de volumen frente a tiempo de la tableta para leer un resultado que cambia mientras se está recolectando.
Protocolo
PARTE 1: Medición del volumen de un líquido
- En la probeta graduada adecuada, vierta 70 mL de agua de la llave.
- Revise la base del menisco de la probeta graduada para confirmar el volumen.
PARTE 2: Medición del volumen de un sólido utilizando un vaso de desbordamiento
Para medir el volumen de un sólido, podemos usar el desplazamiento de agua.
- Con agua de la llave, llene un florero hasta desbordarlo a su máxima capacidad antes de que se derrame (500 mL). Deje que el exceso de agua se escurra en el fregadero.
- Vuelva a colocar el vaso de rebose en su posición inicial a la izquierda del mesón, justo al lado de la probeta graduada de 25 mL (que se colocará debajo de la abertura de rebose del vaso de rebose).
- Coloque cinco trozos de plomo en el vaso de desbordamiento usando unas pinzas.
- Utilizando el desbordamiento del recipiente de desbordamiento y el menisco en la probeta graduada, determine el volumen del sólido.
PARTE 3: Medición del volumen de un gas
Para medir el volumen de un gas, podemos usar una bureta de gases.
- Llene un vaso de precipitados de 1 L con al menos 800 mL de agua de la llave.
- Coloque el vaso de precipitados de 1 L a la derecha del soporte
- Coloque una pinza universal por encima del centro del vaso de precipitados de 1 L para sostener la bureta de gases.
- Llene el vaso de precipitados con 250 mL de agua de la llave.
- Llene la bureta de gases hasta el borde con agua del vaso de precipitados de 250 mL, luego colóquele un tapón de hule.
Modo a una mano: Sujete una pinza universal al soporte a la derecha del fregadero y coloque la bureta de gas en ella para llenarla hasta el borde, luego inserte un tapón de goma.
- Fije la bureta de gas a la pinza universal boca abajo, de modo que la abertura con el tapón quede cerca del fondo del vaso de precipitados de 1 L.
- Retire el tapón de goma (la punta de la bureta debe estar sumergida en el vaso de precipitados).
- Si el agua sale de la bureta, significa que no hay suficiente agua en el vaso de precipitados o la bureta está demasiado alta. Repita los pasos 4 a 7.
- Coloque un conector de plástico de modo que su abertura en forma de J quede bajo la abertura de la bureta de gas.
- Conecte el racaje del cilindro de gas al conector de plástico azul.
- Inicia el cronómetro.
- Abra la válvula del cilindro (toque con la punta del dedo).
- Deje que la bureta de gas se llene hasta la mitad con gas.
- Cierre la válvula de gas y lea el volumen en la bureta de gas.
- Detén el cronómetro.
- Los resultados también se muestran en forma gráfica en la pestaña Resultados, en Volumen frente a Tiempo.
Resultados esperados
Esta es una sesión práctica: su resultado es lograr fluidez con la probeta graduada, el vaso de desbordamiento y la bureta de gas, más que una hipótesis comprobada. Cada parte aún tiene una lectura esperada definitiva. En la Parte 1, la probeta debe mostrar 70 ml en la base del menisco. En la Parte 2, una pieza de plomo pesa 34.04 g, por lo que las cinco piezas juntas pesan 170.2 g; la densidad del plomo es de 11.34 g/ml, y 170.2 g ÷ 11.34 g/ml da un volumen de 15 ml, que es exactamente lo que el vaso de desbordamiento debe verter en la probeta graduada de 25 ml. Por lo tanto, el método de desplazamiento da la misma respuesta que el cálculo de densidad, y ver que esas dos rutas coinciden es el objetivo del ejercicio. En la Parte 3, el gas es aire; se permite que la válvula se llene aproximadamente hasta la mitad antes de cerrarla, y el volumen leído en sus graduaciones debe coincidir con el valor final de la gráfica de Volumen frente al Tiempo de la tableta. El volumen recolectado sobre agua sobreestima ligeramente el gas seco, ya que el aire atrapado está saturado con vapor de agua, un refinamiento que se aborda en los laboratorios de gases (053 a 057).
Resumen de tareas por rango de calificaciones
Grado 9-10
Enfoque: técnica correcta en las tres mediciones. Los estudiantes leen el menisco a la altura de los ojos, realizan la medición por desbordamiento sin perder agua y ensamblan la bureta de gas con orientación. Pueden explicar con sus propias palabras por qué el desplazamiento mide el volumen y por qué la bureta debe empezar completamente llena de agua.
Undécimo grado
Enfoque: la comprobación cruzada cuantitativa. Los estudiantes predicen el volumen desplazado a partir de la densidad antes de realizar la Parte 2 (170.2 g de plomo a 11.34 g/mL deben desplazar 15 mL), luego lo verifican mediante desbordamiento y explican cualquier diferencia (gotas adheridas al recipiente, la precisión de lectura del cilindro). En la Parte 3, leen el volumen recolectado y relacionan la gráfica de volumen frente al tiempo con el caudal mientras la válvula estuvo abierta.
12.º grado / Nivel universitario
Enfoque: lo que cada método asume. Los estudiantes distinguen el desplazamiento de la flotabilidad —la medición funciona porque el plomo se hunde por completo, y fallaría en el caso de un sólido flotante— y analizan la recolección de gas de manera crítica: el aire atrapado está saturado con vapor de agua y se encuentra a una presión determinada por los niveles de agua, por lo que la lectura de la bureta sobreestima ligeramente el gas seco a presión atmosférica. Conectan esto con las leyes de los gases y con el motivo por el cual los volúmenes de los gases solo son comparables a una temperatura y presión determinadas.
Elementos esenciales para el laboratorio
Instrumentos
- Vasos de precipitados (1000 mL, 250 mL)
- bureta de gas
- Conector de gas
- Cilindro de gas (aire)
- Probetas graduadas (10 mL, 25 mL, 70 mL, 250 mL)
- Soporte universal y pinzas
- Vaso de expansión
- Pinzas
- Cronómetro
- Tapón de goma
Productos
- Piezas de plomo (Pb)
- Agua de la llave