Le volume se mesure différemment pour chaque état de la matière, et ce tutoriel enseigne les trois techniques en une seule session. Un liquide peut être versé dans une éprouvette graduée et lu directement — à condition de faire la lecture à la base du ménisque, la courbe que la tension superficielle du liquide forme contre le verre. Un solide, en particulier un solide de forme irrégulière qu'aucune règle ne peut mesurer, se mesure par déplacement : immergé dans un vase d'excentricité plein à ras bord, il chasse exactement son propre volume d'eau, qui est récupéré et lu dans une éprouvette. Un gaz se mesure en le laissant déplacer l'eau d'une burette inversée et remplie d'eau — les bulles de gaz remontent, le niveau d'eau baisse, et les graduations indiquent l'espace que le gaz a conquis. Dans ce tutoriel, vous mesurerez 70 mL d'eau dans une éprouvette graduée, déterminerez le volume de cinq morceaux de plomb à l'aide du vase de trop-plein, et recueillirez un gaz sur de l'eau dans une burette tandis qu'un chronomètre et le graphique Volume en fonction du Temps de la tablette enregistrent le débit.
Objectifs Éducatifs
Technique de mesure pour chaque état de la matière
- Mesurez le volume d'un liquide directement dans une éprouvette graduée, en lisant à la base du ménisque.
- Mesurer le volume d'un solide irrégulier par déplacement d'eau et le volume d'un gaz par collection sur de l'eau dans une burette.
Application des principes physiques
- Appliquez le principe de déplacement : un objet entièrement immergé déplace exactement son propre volume de fluide, quelle que soit sa forme.
- Reconnaître qu'un gaz se dilate pour remplir tout l'espace qui lui est donné, c'est pourquoi son volume doit être lu à partir de ce qu'il déplace.
Manipulation des instruments
- Assemblez l'appareil de collecte de gaz (support, pince, burette inversée, raccord et cylindre de gaz) dans le bon ordre et manipulez les solides denses avec une pince.
Lecture et enregistrement
- Choisissez l'éprouvette graduée appropriée au volume à mesurer et utilisez le graphique volume en fonction du temps de la tablette pour lire un résultat qui change pendant qu'il est collecté.
Protocole
PARTIE 1 : Mesure du volume d'un liquide
- Dans l'éprouvette graduée appropriée, verser 70 mL d'eau du robinet.
- Vérifiez la base du ménisque du cylindre gradué pour confirmer le volume.
PARTIE 2 : Mesure du volume d'un solide à l'aide d'un vase d' débordement
Pour mesurer le volume d'un solide, on peut utiliser le déplacement d'eau.
- Avec de l'eau du robinet, remplir un vase jusqu'à débordement, à sa pleine capacité avant le déversement (500 mL). Laisser l'eau en excès s'écouler dans l'évier.
- Replacez le vase de trop-plein dans sa position initiale à gauche du comptoir, juste à côté de la éprouvette graduée de 25 mL (qui sera positionnée sous l'ouverture du vase de trop-plein).
- Placez cinq morceaux de plomb dans le vase trop-plein à l'aide d'une pince.
- En utilisant le trop-plein du récipient à trop-plein et le ménisque dans l'éprouvette graduée, déterminez le volume du solide.
PARTIE 3 : Mesure du volume d'un gaz
Pour mesurer le volume d'un gaz, on peut utiliser une burette à gaz.
- Remplir un bécher de 1 L avec au moins 800 mL d'eau du robinet.
- Placez le bécher de 1 L à droite du support
- Placez une pince universelle au-dessus du centre du bécher de 1 L, afin de supporter la burette à gaz.
- Remplir le bécher avec 250 mL d'eau du robinet.
- Remplissez la burette graduée à ras bord avec de l'eau du bécher de 250 mL, puis placez-y un bouchon en caoutchouc.
Mode une main : Fixez une pince universelle sur le statif, à droite de l'évier, et placez-y la burette à gaz pour la remplir à ras bord, puis insérez un bouchon en caoutchouc.
- Fixez la burette à gaz au support universel, la tête en bas, de sorte que l'ouverture munie du bouchon se trouve près du fond du bécher de 1 L.
- Retirer le bouchon en caoutchouc (la pointe de la burette doit être immergée dans le bécher).
- Si de l'eau s'écoule de la burette, cela signifie qu'il n'y a pas assez d'eau dans le bécher ou que la burette est trop haute. Répétez les étapes 4 à 7.
- Placez un connecteur en plastique de manière à ce que son ouverture en forme de J soit sous l'ouverture de la burette à gaz.
- Connectez le raccord du détendeur au connecteur en plastique bleu.
- Démarrez le chronomètre.
- Ouvrez le robinet du cylindre (touchez du bout du doigt).
- Laissez la burette à gaz se remplir de gaz à moitié.
- Fermez le robinet de gaz et lisez le volume sur la burette à gaz.
- Arrêtez le chronomètre.
- Les résultats sont également affichés sous forme graphique dans l'onglet Résultats, sous Volume vs Temps.
Résultats attendus
Il s'agit d'une séance pratique : son résultat est la maîtrise de l'éprouvette graduée, du vase d'overflow et de la burette à gaz, plutôt qu'une hypothèse testée. Chaque partie a tout de même une lecture attendue bien précise. Dans la première partie, l'éprouvette doit indiquer 70 mL à la base du ménisque. Dans la deuxième partie, un morceau de plomb pèse 34,04 g, les cinq morceaux pèsent donc ensemble 170,2 g ; la masse volumique du plomb est de 11,34 g/mL, et 170,2 g ÷ 11,34 g/mL donne un volume de 15 mL — ce qui est exactement ce que le vase d'overflow doit verser dans l'éprouvette graduée de 25 mL. La méthode par déplacement donne ainsi le même résultat que le calcul de la masse volumique, et voir ces deux voies concorder est le but de l'exercice. Dans la troisième partie, le gaz est de l'air ; on laisse la burette se remplir à peu près à moitié avant de fermer la valve, et le volume lu sur ses graduations doit correspondre à la valeur finale du graphique Volume en fonction du Temps du comprimé. Le volume recueilli sur l'eau surestime légèrement le gaz sec, puisque l'air piégé est saturé de vapeur d'eau — un raffinement abordé dans les laboratoires de gaz (053 à 057).
Résumé du devoir par tranche d'âge
Classe de 3e à la 2de
Objectif : technique correcte pour les trois mesures. Les élèves lisent le ménisque à hauteur des yeux, réalisent la mesure de trop-plein sans perdre d'eau et assemblent la burette à gaz avec de l'aide. Ils sont capables d'expliquer avec leurs propres mots pourquoi le déplacement mesure le volume et pourquoi la burette doit commencer complètement remplie d'eau.
11e année
Objectif : le recoupement quantitatif. Les étudiants prévoient le volume déplacé à partir de la masse volumique avant d'exécuter la Partie 2 — 170,2 g de plomb à 11,34 g/mL doivent déplacer 15 mL —, puis le vérifient par débordement, et expliquent tout écart (gouttes accrochées au récipient, précision de lecture du cylindre). Dans la Partie 3, ils lisent le volume recueilli et relient le graphique Volume en fonction du Temps au débit lorsque la vanne était ouverte.
12e année / Niveau universitaire
Focus : ce que chaque méthode suppose. Les élèves distinguent le déplacement de la poussée d'archimède — la mesure fonctionne parce que le plomb coule complètement, et échouerait pour un solide flottant — et abordent la collecte du gaz de manière critique : l'air piégé est saturé de vapeur d'eau et se trouve à une pression définie par les niveaux d'eau, de sorte que la lecture de la burette surestime légèrement le gaz sec à la pression atmosphérique. Ils relient cela aux lois des gaz et au fait que les volumes de gaz ne sont comparables qu'à une température et une pression spécifiées.
Essentiels de laboratoire
Instruments
- Bêchers (1000 mL, 250 mL)
- Burette à gaz
- Raccord de gaz
- Bouteille de gaz (air)
- Éprouvettes graduées (10 mL, 25 mL, 70 mL, 250 mL)
- Support de laboratoire et pinces
- Vase d'expansion
- Pince à épiler
- Chronomètre
- Bouchon en caoutchouc
Produits
- morceaux de plomb
- Eau du robinet