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Dichtebestimmung von Flüssigkeiten mittels Aräometer

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Dichtebestimmung von Flüssigkeiten mittels Aräometer
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Einfache Skizze eines Aräometers

Kurzbeschreibung
Mit einem Aräometer werden die Dichten von Flüssigkeiten bestimmt.
Kategorien
Mechanik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Primarstufe, Klasse 7 - 10
Basiskonzept: Materie
Sonstiges
Durchführungsform Schüler*innen-Experiment und Gruppenexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 2
Anspruch des Aufbaus leicht
Informationen
Name: Anna-Maria Jung
Kontakt: junganna@student.hu-berlin.de
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Ulrike Gromadecki
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In diesem Versuch geht es um die Dichtebestimmung verschiedener Flüssigkeiten mittels eines Aräometers. Bei einem Aräometer handelt es sich um ein Messgerät, das die Dichte von Flüssigkeiten bestimmt. Es ist unter anderem auch bekannt unter der Bezeichnung Senkwaage oder Spindel. Die hierbei durchgeführte Messung beruht auf dem Archimedischen Prinzip, wonach ein Festkörper so tief in eine Flüssigkeit eintaucht, bis die Gewichtskraft der durch sein Eintauchen verdrängten Flüssigkeit genauso groß ist wie die Gewichtskraft der eingetauchten Körpers (vgl. Kremer / Bannwarth[1], S.114). Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Dichte von Flüssigkeiten bietet die Westphalsche Waage, die in dem Wiki Beitrag Westphalsche Waage - Temperaturabhängigkeit der Dichte von Flüssigkeiten beschrieben wird.


Didaktischer Teil

Dieser Versuch zielt darauf ab den Schüler*innen die physikalische Größe der Dichte mittels eines Aräometers nahe zu bringen. Dies ist insofern schwierig, da die Dichte eine abstrakte Größe ist, die das Verhältnis aus Masse und Volumen angibt (vgl. Bröll / Zahn[2], S.42). Zwar sind den Schüller*innen die Phänomene, die auf die Dichte beruhen, aus ihrer Alltagswelt bekannt (Öl schwimmt auf Wasser), diese vermögen sie jedoch nicht in Verbindung mit den physikalischen Gegebenheiten in Einklang zu bringen.

Hinzu kommt, dass der Begriff Aräometer scheinbar auf etwas Schwieriges hindeutet, was aber tatsächlich nicht der Fall ist. Außerdem setzt die Verwendung des Aräometers bereits Vorkenntnisse voraus wie das Archimedische Prinzip.

Um die Funktion des Aräometers besser kennenzulernen, empfiehlt sich ein zweifacher Zugang. Zunächst indem mit einem selbst hergestellten Aräometer gearbeitet wird. Mit diesem phänomenologischen Zugang bekommen die Schüler*innen ein erstes Gespür, dass Flüssigkeiten über unterschiedliche Dichten verfügen. Hier zeigt sich bereits, dass je größer eine Dichte ist, desto geringer ist die Eintauchtiefe. Auf diese Weise werden die Schüler*innen aktiv in den Versuch eingebunden, zumal sie die hierfür notwendigen Materialien eigenständig herstellen müssen.

In einem zweiten Versuchsdurchgang werden sodann kalibrierte Aräometer verwendet, die die Dichte der Flüssigkeiten in einer Skala angeben. Dies dient einer präziseren Bestimmung der Dichte. Dieser Schritt zielt darauf ab, die bereits gewonnenen Erkenntnisse zu vertiefen und zu präzisieren. Jetzt ist nicht nur zu sehen, dass sich ein Aräometer bei verschiedenen Flüssigkeiten unterschiedlich verhält, sondern darüber hinaus auch noch die tatsächliche Dichte der Flüssigkeiten, in denen es eingetaucht ist. In diesem Schritt wird das phänomenologisch beobachtete vertieft und in einen Kontext mit physikalischen Messwerten gestellt. Dabei ist darauf zu achten, dass die Temperatur der Flüssigkeit derjenigen des Aräometers entspricht, die für diesen vorgesehen ist. Die Schüler*innen erkennen bei diesem Versuch, dass verschiedenen Flüssigkeiten zwar über das gleiche Volumen verfügen können, sie aber dennoch unterschiedliche Dichten aufweisen. Dabei bietet es sich an, Flüssigkeiten zu verwenden, die die Schüler*innen kennen wie beispielsweise Salzwasser, Wasser, Spülmittel oder Öl.

Versuchsanleitung

Dieser Versuch wird sowohl mit einem kalibrierten Aräometer als auch einem selbstgebastelten Aräometer durchgeführt.

Aufbau

Für den Versuch mit dem selbst hergestellten Aräometer werden folgende Materialien benötigt:

  • Strohhalm (zwischen 6 und 14 cm lang)
  • Knete
  • Wasserfeste Stifte verschiedener Farben für die Markierung
  • Arbeitsblatt
  • Stift
  • Verschiedene Flüssigkeiten nach Belieben, die auch zum Teil selbst hergestellt werden können (Bsp.: Öl, Salzwasser, Lauge).

Beim zweiten Versuchsdurchgang werden kalibrierte Aräometer benötigt. Sie sollten eine Genauigkeit von 0,0005 g/cm³ (g/ml) aufweisen.


Herstellung des Aräometers:

Abb.1:Selbsther­gestellter Aräometer

An einem Ende des Strohhalms wird etwas Knete befestigt, die dazu dient, dass der Strohhalm in einer Flüssigkeit eintauchen kann. Es empfiehlt sich zu Beginn der Versuchsreihe den Strohhalm so auszurichten, so dass er senkrecht in der Flüssigkeit steht. Hierzu bietet sich als Ausgangsflüssigkeit Wasser an. Es ist dabei zu beachten, dass die Höhe der Flüssigkeit mit der Länge des Strohhalms mindestens übereinstimmt. Ist dies erfolgt, haben die Schüler*innen ein selbsthergestellten Aräometer.

Eine mögliche Variante: Wenn die Eintauchtiefe genauer erfasst werden soll, dann sollte der Strohhalm durchsichtig sein und das Inneren des Strohhalms mit Millimeterpapier versehen werden. Aber Achtung: Die Menge und Positionierung des Millimeterpapiers bedarf etwas Übung und empfiehlt sich nicht für Schüler*innen, da dies leicht zu Frustration führt und ein Lernerfolg in jedem Fall geringer ausfallen wird.

Durchführung

Zunächst werden die Flüssigkeiten vorbereitet, die sowohl im ersten als auch im zweiten Versuchsdurchgang gemessen werden sollen.

Versuchsdurchgang 1:

Die Schüler*innen tauchen ihren selbsthergestellten Aräometer nacheinander in die verschiedenen Flüssigkeiten ein. Dabei markieren sie jeweils mit einem wasserfesten Stift die Eintauchtiefe an dem Strohhalm und notieren dieses dann auf einem separaten Blatt, damit später nachvollzogen werden kann, welche Markierung zu welcher Flüssigkeit gehört. Wenn möglich, sollten unterschiedliche Farben für die Markierungen verwenden werden. Zusätzlich sollen die Schüler*innen ihre Beobachtungen bei den jeweiligen Flüssigkeiten notieren. Als Referenz dient die Eintauchtiefe in Wasser. Hieran orientieren sich alle weiteren Messungen.

Abb.2:Vergleich der Eintauchtiefe des selbstheregestellten Aräometers bei verschiedenen Flüssigkeiten

Die während der Durchführung gemachten Beobachtungen werden nach dieser Versuchsreihe im Plenum erörtert und dienen als Vorbereitung auf den zweiten Versuchsdurchgang.


Versuchsdurchgang 2:

In diesem zweiten Durchgang findet nun ein kalibrierter Aräometer Anwendung. Er wird in die verschiedenen Flüssigkeiten des ersten Versuchs eingetaucht. Das Prinzip ist das gleiche, nur dass hier nun auf der Skala des Aräometer die Dichte abgelesen werden kann. Diese Ergebnisse sollen von den Schüler*innen in einer Tabelle festgehalten werden.

Hierbei ist zu beachten:

Die Höhe der Flüssigkeit muss mindestens die gleiche Länge wie das Aräometer aufweisen. Außerdem ist darauf zu achten, dass beim Ablesen der Dichte die Adhäsion an Gefäßwänden bedacht wird. Das bedeutet, dass sich die Flüssigkeit an dem Strohhalm oder dem Aräometer anhaftet und sie deshalb an diesem Punkt nicht der tatsächlichen Höhe der Flüssigkeit entspricht. Deshalb wird die Flüssigkeitsoberfläche als Maß genommen und der Wert auf der Skala des Arömeters notiert (vgl. Berl[3], S.217). Die Ergebnisse werden in einer Tabelle zusammengefasst.

Ergebnisse

Der erste Versuchsdurchgang zielt darauf ab, einen phänomenologischen Zugang zur Materie der physikalischen Größe Dichte zu bekommen. Dabei geht es ausschließlich um eine beobachtende Perspektive, die für die physikalischen Zusammenhänge sensibilisieren soll. Hier können die Schüler*innen beobachten, dass sich das Aräometer je nach Flüssigkeit unterschiedlich tief in die Flüssigkeit eintaucht. Dies lässt Rückschlüsse auf die Dichte der jeweiligen Flüssigkeiten zu. Hierbei zeigte sich, dass beispielsweise Rapsöl über eine geringere Dichte als Wasser verfügt, was sich an der Eintauchtiefe des Aräometers ablesen lässt.

Abb.3:Vergleich der Eintauchtiefe von Wasser und Rapsöl mit dem selbst heregestellten Aräometer


Im zweiten Versuchsdurchgang wurden sodann Aräometer mit einer Skala verwendet, an denen abzulesen war, welche Dichte die jeweilige Flüssigkeit hat.

Dichte
gemessen Literaturwert(vgl. Kuchling[4], S.616)
Wasser 0,998 0,999
Rapsöl 0,922 0,92
Spiritus 0,795 0,789
Essig 1,007 1,05
Spülmittel 1,036

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Die phänomenologischen Beobachtungen der Dichtemessung mit dem selbsthergestellten Aräometer lassen sich mit den Meßwerten des kalibrierten Aräometer bestätigen.

Auswertung

Aufgrund der durchgeführten Versuchsdurchgänge ist zu erkennen, dass die Eintauchtiefe des Aräometers von der Dichte der jeweiligen Flüssigkeit abhängt. Das bedeutet, dass unterschiedliche Flüssigkeiten bei gleichem Volumen verschiedene Dichten aufweisen.


Sicherheitshinweise

keine ätzenden Flüssigkeiten für die Versuche verwenden

keine stark erhitzten Flüssigkeiten für die Versuche verwenden

Literatur

  1. Kremer, Bruno P. / Bannwarth, Horst, Einführung in die Laborpraxis, Basiskompetenzen für Laborneulinge (3. Auflage 2014), Springer-Verlag Berlin Heidelberg
  2. Bröll, L und Zahn, T: Schwimmen oder Sinken, Praxis Grundschule, Ausgabe 04/2008, Westermann
  3. Berl, E (1921):Chemisch-technische Untersuchungsmethoden: Erster Band, Springer Verlag, Berlin
  4. Kuchling, H. (2011): Taschenbuch der Physik, Carl Hanser Verlag, München

Siehe auch

Westphalsche Waage - Temperaturabhängigkeit der Dichte von Flüssigkeiten

Schwimmen oder sinken?

Kommunizierende Gefäße und die Dichtebestimmung nicht mischbarer Flüssigkeiten