استوانه مدرج: ظرفی برای اندازهگیری حجم مایعات
ساختار و اجزای تشکیلدهنده استوانه مدرج
استوانه مدرج یک لولهٔ شیشهای یا پلاستیکی بلند، استوانهای شکل و عمودی است که کف آن معمولاً صاف است. مهمترین ویژگی آن، وجود یک سری خطوط مدرج3 بر روی بدنه است که به ما امکان اندازهگیری حجم مایع درون آن را میدهد. این خطها مانند خطکش عمل میکنند، اما واحد آنها میلیلیتر (mL) یا سانتیمتر مکعب (cm3) است.
| نام جزء | توضیح و عملکرد |
|---|---|
| بدنه | لولهٔ اصلی که مایع در آن ریخته میشود. از جنس شیشهٔ بوروسیلیکات (مقاوم به حرارت) یا پلاستیک شفاف ساخته میشود. |
| پایه | قسمت پایینی پهنتر که باعث ایستایی استوانه روی میز میشود و از واژگونی آن جلوگیری میکند. |
| درجهبندی (مدرج) | خطوط افقی حکشده روی بدنه. هر خط نشاندهندهٔ حجم خاصی است. کوچکترین فاصله بین دو خط، دقت استوانه را نشان میدهد (مثلاً 1 mL یا 0.1 mL). |
| دهانه | قسمت بالایی باز استوانه که برای ریختن مایع استفاده میشود. برخی مدلها دارای لبهٔ ریزش4 برای کنترل بهتر هستند. |
راز خواندن صحیح حجم: مینیسک و خط دید
برای اندازهگیری دقیق، باید بدانیم حجم را از کجا بخوانیم. سطح مایعاتی مانند آب در ظروف باریک، به دلیل کشش سطحی5، مقداری خمیدگی ایجاد میکند که به آن مینیسک6 میگویند. قاعدهٔ طلایی خوانش حجم این است:
برای این کار، استوانه را روی یک سطح صاف قرار داده و چشمان خود را دقیقاً همسطح با کف مینیسک قرار میدهیم. اگر از بالا یا پایین نگاه کنیم، به دلیل خطای دید (پارالاکس)7، عدد اشتباهی میخوانیم. فرض کنید در استوانهای با دقت 1 mL، کف مینیسک دقیقاً بین خطوط 40 و 41 قرار دارد. حجم را 40.5 mL گزارش میکنیم. این یک رقم حدسی است که دقت اندازهگیری را بالا میبرد.
انواع و محدودههای اندازهگیری پرکاربرد
استوانههای مدرج در اندازههای گوناگون ساخته میشوند. انتخاب اندازهٔ مناسب به حجم مایع مورد نظر بستگی دارد. همیشه سعی کنید از استوانهای استفاده کنید که حجم مایع شما بین 20% تا 80% از گنجایش کل آن باشد تا دقت خوانش به حداکثر برسد.
| گنجایش کل | دقت (کوچکترین تقسیم) | کاربرد معمول |
|---|---|---|
| 10 mL | 0.1 mL یا 0.2 mL | اندازهگیری حجمهای بسیار کم در آزمایشهای دقیق شیمی |
| 100 mL | 1 mL | پرکاربردترین نوع در مدارس برای آزمایشهای عمومی |
| 250 mL | 2 mL یا 5 mL | تهیهٔ محلولها یا اندازهگیری حجمهای متوسط |
| 1000 mL (1 لیتر) | 10 mL | کارهای آمادهسازی حجمهای بزرگ با دقت نسبی |
از تئوری تا عمل: حل یک مسئلهٔ حجمسنجی
فرض کنید در آزمایشگاه میخواهید چگالی یک سنگ نامنظم را پیدا کنید. چگالی از رابطهٔ $\rho = \frac{m}{V}$ به دست میآید. جرم را با ترازو اندازه گرفته و $m = 50\ g$ است. برای حجم، از روش جابهجایی آب با استوانه مدرج استفاده میکنیم.
1. استوانهای 100 mL را تا نیمه با آب پر کنید. حجم اولیه را بخوانید: $V_1 = 40.0\ mL$.
2. سنگ را به آرامی و کامل داخل آب بیندازید. سطح آب بالا میرود.
3. حجم جدید را بخوانید: $V_2 = 62.5\ mL$.
4. حجم سنگ: $V = V_2 - V_1 = 62.5 - 40.0 = 22.5\ mL = 22.5\ cm^3$.
5. چگالی سنگ: $\rho = \frac{50\ g}{22.5\ cm^3} \approx 2.22\ g/cm^3$.
این مثال ساده نشان میدهد استوانه مدرج چگونه ابزاری کلیدی برای یافتن خواص فیزیکی مواد است.
استوانه مدرج در مقایسه با سایر ظروف حجمسنج
استوانه مدرج تنها ابزار اندازهگیری حجم نیست. هر وسیلهای دقت و کاربرد خاص خود را دارد. بشر برای هم زدن و نگهداری کلی مایعات است و درجهبندی آن تنها تخمینی است. ارلن مایر نیز برای همزدن و گرم کردن به کار میرود و دقت حجمی پایینی دارد. اما پیپت و حجمسنج (فلاسک حجمسنج) برای اندازهگیری و تهیهٔ محلولها با دقت بسیار بالا طراحی شدهاند. استوانه مدرج نقطهٔ تعادلی بین این دو دسته است: دقتی قابل قبول برای اندازهگیری مستقیم حجم و همچنین امکان ریختن و مخلوط کردن مایعات را فراهم میکند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، این کار به شدت خطرناک است. استوانههای شیشهای معمولی در اثر گرمایش ناهموار میشکنند. فقط استوانههای ساختهشده از شیشهٔ مخصوص (مثل بوروسیلیکات) میتوانند حرارت را تحمل کنند و آن هم معمولاً با استفاده از توری نسوز و با احتیاط.
پاسخ: زیرا خطای نسبی اندازهگیری بسیار زیاد میشود. دقت استوانهٔ 1000 mL، 10 mL است. بنابراین شما در بهترین حالت میتوانید حجم را به نزدیکترین 10 mL تخمین بزنید و اندازهگیری 5 mL اساساً غیرممکن خواهد بود. همیشه وسیلهای را انتخاب کنید که حجم مورد نظر شما بیشترین استفاده را از دقت آن وسیله ببرد.
پاسخ: خیر، برای مایعاتی که سطح آنها به جای فرورفتگی، برآمدگی ایجاد میکند (مانند جیوه یا برخی روغنهای غلیظ)، حجم را از بالاترین نقطه آن انحنا (منیسک محدب) میخوانیم. همیشه قبل از کار، رفتار سطح مایع را مشاهده کنید.
پاورقی
1 استوانه مدرج (Graduated Cylinder).
2 خط خوانش مایع (Meniscus Reading).
3 خطوط مدرج (Graduation Marks).
4 لبهٔ ریزش (Pouring Spout).
5 کشش سطحی (Surface Tension).
6 مینیسک (Meniscus): انحنای سطح مایع در اثر کشش سطحی در ظروف باریک.
7 خطای پارالاکس (Parallax Error): خطای ناشی از زاویهٔ دید در خواندن اندازهگیری.
