A PROPOS DES MASSES VOLUMIQUES
ET DENSITÉS RELATIVES
La mesure des masses volumiques et densités relatives, occupe une place importante dès le programme de CINQUIEME des collèges. En effet, en SIXIEME, nous avons abordé la mesure des masses, celle des volumes par différentes méthodes ; nous cherchons cette année à
relier masse et volume, d'où la notion de masse volu-mique, à comparer les masses volumiques à partir de composés de référence pris sous certaines conditions, d'où la notion de densité relative.
On ne fera pas ici une étude exhaustive des masses volumiques et densités relatives, mais on indique-ra seulement quelques possibilités qui nous sont offertes. 1 - SOLIDES
1.1 - Acier
Il est assez facile de se procurer des roule-ments à billes ou à rouleaux en acier, que l'on peut démonter. Les volumes peuvent être mesurés pour plusieurs billes avec une éprouvette graduée, à partir des carac-téristiques géométriques {délicat pour les élèves, mais résultats excellents) ou bien avec un vase à trop plein.
1.2 - Aluminium
On peut en récupérer dans les ateliers d'usinage où il est très répandu, à la limite on peut le couler dans des moules.
1.3 - Cuivre
Nous avons des cylind':0s de 20 mm de diamètre sur 40 mm de hauteur, mais compte tenu de la difficulté que l'on rencontre pour s'en procurer, il est préféra-ble d'acheter des tubes dans un super marché ou d'en demander au service d'entretien du collège.
On peut aussi utiliser des fils de forte scttion pour prise de terre et mesurer le volume à
partir des caractéristiques géométriques du fil.
1.4 - Plomb
Nous avons récupéré 6 à 7 kg de plomb dans le collège, nous l'avons coulé et moulé à notre conve-nance.
En fait, pour obtenir de bons résultats, avec les solides, la difficulté réside surtout dans la mesure des volumes.
I I - LIQUIDES
On étudiera ici un seul exemple, et on indi-quera comment on peut mesurer la masse volumique du liquide contenu dans les recharges de briquet (voir documentation à la fin de cet article).
Les élèves peuvent d'abord constater que ce que l'on appelle "bouteille de gaz" contient
essentiel-lement un liquide incolore, apparemment "léger" sur-monté d'un gaz comprimé.
Masse volumique du liquide
Mesure de la masse du liquide, notée M l Peser deux bouteilles vides et constater que leur masse est sensiblement la même: M 2.
Equilibrer la bouteille pleine avec des masses marquées (prendre des bouteilles ayant environ 60 ml de butane commercial ; indication sur la cartouche) : M3.
La masse du liquide est : Ml = M3 - M2. On trouve Ml
=
31,2 g.\.
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Mesure du volume :
~vec une bouteille vide, sectionner le haut, et verser un volume d'eau identique à celui contenu dans la bouteille pleine et le mesurer avec une éprou-vette graduée.
J'ai trouvé On a donc a
v = 54 ml.
31,2 : 54 = 0,58 g/ml soit 580 g/l On peut aussi trouver le volume à l'aide des caractéristiques géométriques internes de la bouteille
(diamètre au pied à coulisse, profondeur au réglet) . Remarques - Le résultat est convenable (voir documen-tation) .
On peut demander aux élèves de chercher le volume de liquide contenu dans une bouteille commerciale de 13 kg.
Il paraît plus commode de mesurer la densité du liquide par rapport à l'eau.
III. GAZ
Il est souvent malaisé de mesurer la masse volumique des gaz ou ce qui revient au même pour nous leur masse molaire.
111.1 - Masse volumique du butane commercial Expérience qualitative : faire un repère sur la bouteille (élastique). Recueillir un litre de gaz. On remarque que le liquide se refroidit.
teille
Le niveau du liquide baisse peu dans la bou-la masse de gaz recueilli doit être faible.
Le volume de liquide passé à l'état de vapeur est de beaucoup inférieur à celui du gaz : on a là le moyen de montrer, de rappeler que la matière est dis-persée dans un gaz (1) contrairement à un liquide où la matière est condensée d'où l'expression condensation pour le passage gaz-liquide.
(1) ceci avidemment dans des conditions éloignées de l!état critique, état pour lequel on ne sait si le fluide est un gaz ou un liquide.
Expérience quantitative : les élèves ont vu en sixième que lors d'un changement d'état, i l pouvait y avoir variation de volume mais qu'il y avait toujours conservation de la masse. Après ce rappel, on peut con-naître la masse du gaz à partir de celle du liquide.
Equilibrer la bouteille avec des masses mar-quées.
" 0" /
/~
':'li
li:
Prélever 1 litre de gaz (1/2 l suffit pour avoir un résultat convenable) et le recueillir sur une cuve à eau ; ne pas peser le tuyau, ne pas mouiller la bouteille. Equilibrer avec des masses marquées le plateau où i l y a la bouteille.
'UiJL/
J
~
fi
Dr
Il
J'ai trouvé à 200 C environ M
On obtient donc : a = 2,4 g/l.
2,4 g.
Comparaison avec les résultats trouvés pour l'air. Conséquence.
Conclusion des expériences ~récédentes : Dans les condi-tions expérimentales t - 20 C, P - 1 atm., la matière est 240 fois plus concentrée à l'état liquide qu'à l'état gazeux pour le butane commercial. En effet on a :
aL/a
G = 240 environ Possibilités d'exercices.
111.2 - Masse volumique du dioxyde de carbone
On peut utiliser un "siphon" pour eau de Seltz. La méthode est identique à la précédente.
Peser avant et après le siphon.
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1
JL
JL
" nr'r
/
t
Fi.. IV
Ne pas peser le tuyau.Notes Il est nécessaire de purger l'appareil de l'air qu'il contient avec une cartouche par exemple.
L'appareil doit être vide d'eau.
Ne plus ouvrir l'appareil pendant la durée des expériences on n'aura ainsi à le purger qu'une fois.
Les dix cartouches coûtent environ 12 francs. Chaque cartouche permet de libérer 3,5 litres de gaz environ.
La masse du siphon est de 750 g, i l faut le remettre à la même place sur le plateau faute de quoi le défaut de fidélité dépasserait la mobilité de la balance.
J'ai trouvé M
=
3,9 g pour V 2 l d'où a 1,95 g/lA 20° C, P
=
1 atm. on a en fait a environ 1,83 g/l44 273
IV - DENSITES RELATIVES DES LIQUIDES
IV.l - Densimètres faits avec une paille
Ces densimètres sont d'une simplicité remar-quable, mais ils manquent de sensibilité, aussi s'agit-il de les uts'agit-iliser au mieux.
Prenons un exemple : paille de S, masse m ; supposons que dans l'eau 10 mergés (repère). Dans une eau alcoolisée la longueur immergée X telle que aE.I0 d'où X
=
Il,1 cm.20 cm, section cm soient im-où aA = 0,9 g/l
a~.x
Le densimètre s'enfonce de 1,1 cm au-dessus du repère.
Soit avec les mêmes liquides, un densimètre de même section ou pas, de masse m' telle que 15 cm soient immergés (repère) ; on aura dans l'eau alcooli-sée: aE.15 = aA.X', d'où X' = 16,7 cm.
Le densimètre s'enfonce de . ,7 cm au-dessus du repère.
On aura toujours intérêt à avoir un volume immergé important compatible avec les liquides dont on dispose et les mesures que l'on veut faire, donc avoir des pailles longues, convenablement lestées.
IV.2 - Densimètres avec une ampoule de médicament Nous avons mis au point des densimètres faits avec des ampoules de médicament ; après quelques essais et tâtonnements pour réaliser le premier, notre prépara-teur préconise le matériel suivant
ampoule de 10 ml,
tige: tube de verre servant d'enveloppe pour les recharges de stylos à bille,
l'ensemble doit peser environ 15 g ; lest avec du sable ou mieux avec du plomb en grenaille.
Casser une extrémité de l'ampoule, BIEN LA LAISSER SECHER, lester, et coller le tube à l'araldite rapide, après avoir introduit dans ce dernier une bande de papier millimétré sur lequel on aura fait des repè-res réguliers A, B, C, D, E, F par exemple, mais pas l, 2, 3, 4, 5 (ce qui pourrait induire en erreur les élèves) .
Ainsi en fait, la moitié de la tige est im-mergée dans l'eau, la presque totalité dans l'alcool dénaturé.
On peut lors du premier essai, fermer l'am-poule avec de la bougie, de la pâte à modeler.
On peut faire des densimètres tige immergée en presque totalité dans l'eau, pour eau salée par exem-ple.
Si l'on prend des tubes vides de stylos à
bille, ou des ampoules de 15, 20 ml on augmentera la sensibili té. J. GAMBINI E'
