003 – 볼륨 튜토리얼

부피는 물질의 각 상태에 따라 다르게 측정되며, 이 튜토리얼에서는 세 가지 기법 모두를 한 세션에서 배웁니다. 액체는 눈금 실린더에 부어 직접 읽을 수 있습니다. 단, 눈금은 액체의 표면 장력이 유리 벽면에 대해 형성하는 곡선인 반달(meniscus)의 바닥면에서 읽어야 합니다. 자로는 측정할 수 없는 불규칙한 고체와 같은 고체는 수중치환법으로 측정합니다. 즉, 물이 가득 찬 넘침 통에 담그면 정확히 자신의 부피만큼의 물을 밀어내며, 이 물을 실린더에 받아 측정합니다. 기체는 물이 채워진 거꾸로 된 뷰렛에서 물을 밀어내게 하여 측정합니다. 기체가 위로 솟아오르면 수위가 낮아지고, 눈금은 기체가 차지한 공간의 크기를 기록합니다. 이 튜토리얼에서는 눈금 실린더로 70 mL의 물을 측정하고, 넘침 통을 사용하여 다섯 개의 납 조각의 부피를Determining하며, 스톱워치와 태블릿의 '부피 대 시간' 그래프가 흐름을 기록하는 동안 뷰렛 안의 물 위에 기체를 포집하게 됩니다.

교육 목표

물질의 각 상태별 측정 기법

• 메스실린더에서 액체의 부피를 직접 측정하되, 메니스커스의 바닥면을 읽으십시오.
• 물 체환법으로 불규칙한 고체의 부피를 측정하고, 뷰렛에서 물 위로 포집하는 방식으로 기체의 부피를 측정합니다.

물리학 원리의 응용

• 변위의 원리를 적용하라: 완전히 잠긴 물체는 모양이 어떻든 정확히 자신의 부피만큼의 유체를 밀어낸다.
• 기체는 주어진 공간을 가득 채우려 팽창하므로, 그 부피는 기체가 밀어낸 양을 통해 측정해야 한다는 점을 인식하라.

기기 취급

• 스탠드, 클램프, 거꾸로 세운 뷰렛, 연결관, 그리고 가스 실린더 순으로 기체 포집 장치를 올바른 순서로 조립하고, 밀도가 높은 고체는 핀셋을 사용하여 다루십시오.

읽고 기록하기

• 측정하려는 부피에 적합한 메스실린더를 선택하고, 태블릿의 부피-시간 그래프를 사용하여 수집되는 동안 변화하는 결과값을 읽으십시오.

프로토콜

파트 1 : 액체의 부피 측정

1. 적절한 눈금 실린더에 수돗물 70mL를 붓는다.
2. 눈금 실린더의 메니스커스 바닥을 확인하여 부피를 확인하십시오.

2부: 넘침 용기를 이용한 고체 부피 측정

고체의 부피를 측정하기 위해 물을 이용한 변위법을 사용할 수 있습니다.

1. 수돗물로 꽃병을 넘치기 직전까지 (500mL) 가득 채우십시오. 넘친 물은 싱크대로 흘려보내십시오.
2. 오버플로우 용기를 다시 평소 위치인 카운터 왼쪽에, 25mL 눈금 실린더 옆에 놓으십시오 (눈금 실린더는 오버플로우 용기의 오버플로우 구멍 아래에 위치할 것입니다).
3. 핀셋을 사용하여 납 조각 다섯 개를 넘쳐남 그릇에 넣으세요.
4. 오버플로우 용기에서 넘친 물과 눈금이 있는 실린더의 메니스커스를 이용하여 고체의 부피를 측정하십시오.

3부: 기체 부피 측정

기체의 부피를 측정하기 위해 기체 뷰렛을 사용할 수 있습니다.

1. 1리터 비커를 수돗물 800ml 이상으로 채우십시오.
2. 스탠드 오른쪽에 1L 비커를 놓으십시오
3. 가스 뷰렛을 지지하기 위해 1L 비커 중앙 위에 유니버설 클램프를 설치하십시오.
4. 비커에 수돗물 250mL를 채우세요.
5. 250mL 비커에서 물을 가스 뷰렛의 맨 위까지 채운 다음, 고무 마개를 꽂으십시오.

한 손 모드: 싱크대 오른쪽에 있는 스탠드에 범용 클램프를 부착하고 가스 뷰렛을 그 안에 넣어 끝까지 채운 다음 고무 마개를 삽입하십시오.

6. 기체 뷰렛을 1L 비커의 바닥에 가까운 스토퍼가 있는 쪽이 위로 가도록 하여 유니버설 클램프에 거꾸로 고정합니다.
7. 고무 마개를 제거하십시오 (뷰렛의 끝이 비커에 잠겨야 합니다).
8. 뷰렛에서 물이 흘러나오면 비커에 물이 충분하지 않거나 뷰렛이 너무 높다는 의미입니다. 4-7단계를 반복하십시오.
9. 플라스틱 커넥터를 가스 뷰렛의 개구부 아래에 오도록 놓으십시오.
10. 가스통 연결구를 파란색 플라스틱 연결구에 연결하십시오.
11. 스톱워치를 시작하세요.
12. 실린더의 밸브를 열어주세요 (손가락 끝으로 만지세요).
13. 기체 뷰렛에 기체를 절반까지 채우십시오.
14. 가스 밸브를 잠그고 가스 뷰렛의 눈금을 읽으십시오.
15. 스톱워치를 멈추세요.
16. 결과는 또한 [Volume vs. Time] 아래의 [Results] 탭에 그래픽 형태로 표시됩니다.

예상 결과

이 실습은 가설을 검증하기보다는, 눈금 실린더, 넘침 용기, 가스 뷰렛을 능숙하게 다룰 수 있는 능력을 기르는 데 목적이 있습니다. 각 부분마다 여전히 명확한 예상 측정값이 있습니다. 1부에서는 메니스커스 기저부에서 실린더의 눈금이 70 mL를 가리켜야 합니다. 2부에서는 납 한 조각의 무게가 34.04 g이므로, 다섯 조각의 총 무게는 170.2 g입니다. 납의 밀도는 11.34 g/mL이며, 170.2 g ÷ 11.34 g/mL를 계산하면 부피가 15 mL가 되는데, 이는 넘침 용기가 25 mL 눈금 실린더로 배출해야 하는 양과 정확히 일치합니다. 따라서 변위법은 밀도 계산과 동일한 답을 주며, 이 두 가지 방법이 일치하는 것을 확인하는 것이 이 연습의 핵심입니다. 제3부에서는 기체가 공기이며, 밸브를 닫기 전에 뷰렛을 약 절반 정도 채우도록 하고, 눈금에서 읽은 부피는 정제의 ‘부피 대 시간’ 그래프의 최종 값과 일치해야 합니다. 물 위에서 수집된 부피는 포집된 공기가 수증기로 포화되어 있기 때문에 건조 가스의 부피를 약간 과대평가하게 되는데, 이는 가스 실험실(053~057)에서 다루는 정밀화 과정입니다.

학년별 과제 요약

9~10학년

초점: 세 가지 측정 모두에서 올바른 기술. 학생들은 눈높이에서 메니스커스를 읽고, 물을 잃지 않고 넘침(오버플로) 측정을 수행하며, 안내에 따라 가스 뷰렛을 조립합니다. 학생들은 물의 배제가 부피를 측정하는 이유와 뷰렛이 완전히 물로 가득 찬 상태에서 시작해야 하는 이유를 자신의 언어로 설명할 수 있습니다.

11학년

초점: 정량적 교차 검증. 학생들은 파트 2를 실행하기 전에 밀도에서 배수된 부피를 예측합니다(11.34 g/mL의 납 170.2 g은 15 mL를 배수해야 함). 그런 다음 넘침을 통해 이를 확인하고, 부족한 부분(용기에 달라붙은 물방울, 실린더의 읽기 정밀도)을 설명합니다. 파트 3에서는 수집된 부피를 읽고 밸브가 열려 있는 동안 부피 대 시간 그래프를 유량과 연관시킵니다.

12학년 / 대학교 수준

중점: 각 방법이 전제하는 바. 학생들은 변위와 부력을 구분해야 한다 — 이 측정법이 유효한 이유는 납이 완전히 가라앉기 때문이며, 물에 뜨는 고체의 경우 이 방법은 실패할 것이다 — 또한 가스 수집 과정을 비판적으로 검토해야 한다: 포집된 공기는 수증기로 포화되어 있으며 수위에 의해 결정된 압력 하에 있으므로, 뷰렛의 측정값은 대기압 조건에서 건조 가스의 양을 약간 과대평가하게 된다. 학생들은 이를 기체 법칙과 연결 지으며, 기체의 부피가 명시된 온도와 압력 조건에서만 비교 가능하다는 이유를 설명합니다.

실험실 필수품

악기

• 비커 (1000 mL, 250 mL)
• 가스 뷰렛
• 가스 커넥터
• 가스 실린더(공기)
• 눈금 실린더 (10 mL, 25 mL, 70 mL, 250 mL)
• 실험대 및 클램프
• 오버플로우 용기
• 핀셋
• 스톱워치
• 고무 마개

제품

• 납 조각
• 수돗물