专题 实验《用油膜法估测分子的大小》.doc

高中物理第一轮总复习
专题四 用油膜法估测分子的大小

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【实验目的】
（1）用油膜法估测分子的大小。
（2）加深对分子动理论基本内容的理解
（3）学会间接测量微观量的方法
【实验原理】
（1）实验采用使油酸在水面上形成一层单分子油膜的方法估测分子的大小。
（2）油酸的分子式为C17H33COOH，它的一个分子可以看成由两部分组成：一部分是C17H33——，另一部分是——COOH,其中——COOH对水有很强的亲和力，当把一滴用酒精稀释过的油酸滴在水面上时，油酸就在水面上散开，其中的酒精溶于水并很快挥发，在水面上形成近似圆形的一层纯油酸薄膜，其中C17H33——一部分冒出水面而——COOH部分留在水中，油酸分子直立在水面上，形成一个单分子油膜。
（3）单分子油膜法粗测分子直径的原理，类似于取一定量的小米，测出它的体积V，然后把它平摊在桌面上，上下不重叠，一粒紧挨一粒，量出这些米粒占据桌面的面积S，从而计算出米粒的直径。
（4）通过测出油滴的体积V及油滴在液面上形成的单分子油膜面积S，运用油酸滴入水面前后的总体积相等，测定分子直径。
【实验器材】
浅盘、痱子粉、注射器（或滴管）、量筒、坐标纸、玻璃纸、水彩笔（或钢笔）、事先配制好的油酸酒精溶液。

【实验步骤】

① 先在浅盘中倒入2～3cm深的水，将痱子粉或石膏粉均匀撒在水面上。
② 用滴管将酒精油酸溶液逐滴滴入量筒至1ml，记下滴入的滴数n，算出一滴油酸溶液的体积V0/滴。
③ 待油酸薄膜形状稳定后，将玻板放在浅盘上，用水彩笔或钢笔画出油膜形状。
④ 将玻璃放在坐标纸上，算出油膜面积S；或通过数玻璃板上的方格数，算出油膜面积S。
⑤ 根据溶液浓度，算出一滴溶液中纯油酸的体积V。
⑥ 用一滴纯油酸的体积V和薄膜面积S，即可计算出薄膜的厚度d = V/S。

【注意事项】
（1）油酸酒精溶液配制后，不要长时间放置，以免改变浓度，产生误差。油酸酒精溶液的浓度以小于l‰为宜。
（2）注射器针头高出水面的高度应在1cm之内,当针头靠近水面(油酸酒精溶液没滴下之前)时，会发现针头下方的痱子粉末层已被排开，这是由于针头中酒精挥发所致，不影响实验效果.
（3）实验时针管（或滴管）在接近水面1cm左右滴油酸溶液，并且在液面稳定后，画下液面形状。
（4）在玻璃上画轮廓线时，要待测油酸面扩散后又收缩稳定后再画,这是因为：
① 水面受油酸酒精溶液液滴扩散冲击后又要恢复；
② 酒精挥发引起的液面收缩.
（5）要保证1mL溶液的滴数，准确无误；要控制滴液滴时的速度，确保液滴体积稳定。
（6）在计算面积时，如玻璃板上有直径1cm的方格，数方格数将不满半格的舍弃，超过半格的记为一格。
（7）油酸酒精溶液的液滴要适当多一些。
（8）每次实验时要让浅盘中的水稳定后再做。
（9）痱子粉不宜撒得过厚，重做实验时，水要从盘的一侧边缘倒出，这样残留在盘上的油酸量少，容易清洗干净。

【实验纪录】
项目
油酸酒精溶液浓度
1mL溶液的滴数
一滴油酸酒精溶液的体积
一滴油酸的体积
油膜面积
数值

【误差分析】
1、纯油酸体积的计算误差:
2、油膜面积的测量误差主要是：
（1）油膜形状的画线误差
（2）数格子法本身是一种估算的方法，自然带来误差

● 见证考题 ●

【例题精析】
【例题1】（1992上海·三、2）将1cm3的油酸溶于酒精，制成200cm3的油酸酒精溶液，已知1cm3溶液有50滴，现取1滴油酸酒精溶液滴在水上，随着酒精溶于水，油酸在水面上形成一层单分子薄层，测出这一薄层面积为0.2m2，由此可估算出油酸分子的直径约为 m。
【解析】每一滴油酸酒精溶液的体积为：；一滴溶液中含纯油酸的体积为：；故油酸分子的直径为：。
【点拨】纯油酸利用酒精稀释的目的是为了更好地形成单分子油膜，计算一滴油酸酒精溶液中含纯油酸的体积是该题的难点。即要找准两个比例：一个“稀释比”和一个“分滴比”。

【例题2】在做用油膜法估测分子大小的实验中，已知实验室中使用的油酸酒精溶液的体积浓度为n，又用滴管测得每N滴这种油酸酒精溶液的总体积为V，，将一滴这种溶液滴在浅盘中的水面上，在玻璃板上描出油膜的边界线，再把玻璃板放在画有边长为a的正方形小格的纸上(如右图)测得油膜占有的小正方形个数为m。
⑴用以上字母表示油酸分子的大小d。
⑵从右图中数得油膜占有的小正方形个数为m =______。
【解析】⑴从题意知道：一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积为：
。
油膜面积为
利用圆柱模型，所以。
⑵利用数格子的方法可知m=58。
【点拨】（1）计算一滴油酸酒精溶液中含纯油酸的体积是该题的难点。
（2）计算方格数时，不足半个格子的舍去，多余半个格子的算一个；方格边长的单位越小，这种方法求出的面积越精确。

【例题3】本实验利用油酸在水面上形成一单分子层的油膜，估测分子大小。实验步骤如下：
① 将5mL的油酸倒入盛有酒精的玻璃量杯中，盖上盖并摇动，使油酸均匀溶解形成油酸酒精溶液，读出该溶液的体积为NmL。
② 用滴管将油酸酒精溶液一滴一滴地滴入空量杯中，记下当杯中溶液到达1mL时的总滴数n。
③ 在边长约40cm的浅盘里倒入自来水，深约2cm，将少许石膏粉均匀地轻轻撒在水面上。
④ 用滴管往盘中水面上滴一滴油酸酒精溶液。由于酒精溶于水而油酸不溶于水，于是该滴中的油酸就在水面上散开，形成油酸薄膜。
⑤ 将平板玻璃放在浅方盘上，待油酸薄膜形成稳定后可认为已形成单分子层油酸膜。用彩笔将该单分子层油酸膜的轮廓画在玻璃板上。
⑥ 取下玻璃板放在方格子上，量出该单分子层油酸膜的面积。
在估算油酸分子大小时，可将分子看成球形。用以上实验步骤中的数据和符号表示，油酸分子的半径r= 。
【解析】仔细分析每一步骤——
由①得油酸酒精溶液中的油酸浓度为；
由②得1滴油酸酒精溶液中的油酸含量为；
弄清③④⑤⑥各步骤的意义，得：油酸分子的半径。
【点拨】

【针对训练】
1、在粗测油酸分子大小的实验中，具体操作如下：
① 取油酸1.00mL注入250mL的容量瓶内，然后向瓶中加入酒精，直到液面达到250mL的刻度为止，摇动瓶使油酸在酒精中充分溶解，形成油酸的酒精溶液。
② 用滴管吸取制得的溶液逐滴滴入量筒，记录滴入的滴数直到量筒达到1.00mL为止，恰好共滴了100滴。
③ 在水盘内注入蒸馏水，静置后滴管吸取油酸的酒精溶液，轻轻地向水面滴一滴溶液，酒精挥发后，油酸在水面上尽可能地散开，形成一油膜。
④ 测得此油膜面积为3.60×102cm2。
（1）这种粗测方法是将每个分子视为 ，让油酸尽可能地在水面上散开，则形成的油膜面积可视为 ，这层油膜的厚度可视为油分子的 。
（2）利用数据可求得油酸分子的直径为 m。
（1）球形 单分子油膜 直径 （2）1.11×10－9。

2、用“油膜法”可以估测分子的大小．滴入盛水培养皿中的油酸溶液所含纯油酸的体积为4.0×10-6mL，将培养皿水平放在边长为1 cm的方格纸上，水面上散开的油膜轮廓如图所示．该油膜面积为：
S= cm2，由此可以估算油酸的分子直径约为d=_______________ m。
113 、3.6×10-10；

3、利用油膜法可以粗略测出阿伏伽德罗常数。把密度ρ=0.8×103kg/m3的某种油，用滴管滴出一滴油在水面上形成油膜，已知这滴油的体积为V = 0.3×10-3cm3。 形成油膜的面积为S = 0.5m2，油的摩尔质量M = 0.06kg/mol。把油膜看成单分子层，每个分子看成球形，那么：
（1）油分子的直径是多少?
（2）由以上数据可粗略测出阿伏伽德罗常数NA是多少? 先列出文字计算式， 再代入数据计算。（要求两位有效数字）
（1）6×10-10m （2） 6.6×1023 mol-1

4、油酸是一种脂肪酸，它的分子和水分子有很强的 亲和 能力，当它浮在水面上形成一层油膜时，薄膜中只有一层分子，这样的一层油酸薄膜简称 单分子油膜 。如果油酸分子可以大致看作球形，油膜的厚度就是分子的直径。事先测出一滴油酸的体积V，再测出油膜的面积S，就可计算出油膜分子的直径d= V/S 。油酸分子直径的数量级是 10-10 m。

5．用注射器或滴管将老师事先配制好的 溶液一滴一滴地滴入量筒中，记下量筒内增加一定体积（如1mL）时的滴数，由此计算出一滴油酸酒精溶液的 ，然后再按油酸酒精溶液的浓度，计算出一滴溶液中 的体积V。

6.在“用油膜法估测分子的大小”的实验中，测出油酸分子的直径后，若还要测定阿伏加德罗常数，只需要再知道( D )
A.油滴的质量 B.油滴的体积
C.油酸的摩尔质量 D.油酸的摩尔体积

能力测试：
1．实验中为什么要待容器中的水稳定后再进行实验？
2．油酸分子直径的数量级在10-10m，有位同学的测量结果远大于这个数量级，试分析可能的原因。
3．根据你的体会，试述做好本实验应该注意的几个问题。（或影响实验结果的因素）
4．已知酒精油酸溶液的浓度为1‰，一滴油酸酒精溶液在水中扩展的油膜面积约为186cm2，1Ml油酸溶液约有66滴。试确定油酸分子的大小。

附：参考资料
“用油膜法估测分子大小”的实验指导
用油膜法估测分子的大小这一学生实验，是要让学生学习一种方法，即用宏观手段来研究微观问题，该实验具有很强的探索性，因此指导学生做好这个实验是十分有意义的。要做好这个实验，需注意以下三个主要问题。　　　　　　　　　
一、浓度配制　
教材中要求老师事先配制好一定浓度的酒精油酸溶液，并无明确指明要配多大的浓度、而这一浓度大小的选择正是这个实验成功的关键。通过多次试验，我们认为浓度选取1‰较合适。配制浓度为l‰的油酸溶液可经两次配制。第一次配制，在100ml量筒中准确地放人96ml无水乙醇，再用5ml量简量入4ml油酸，充分搅拌后，得到4％浓度的油酸溶液。第二次配制，取97．5ml的无水乙醇放入另一个100ml量筒中，用5ml量筒准确量入第一次配好的浓度为4％的油酸溶液2．5ml，充分搅拌，便得到l‰的油酸溶液。　
通过两次配制，既可减小取液时的相对误差，又可用尽量少的液体配出。较准确浓度的溶液。在配制过程中应注意，（1）小量简量取的溶质要全部放入溶液；（2）充分搅拌；（3）油酸溶液配制后不要长时间放置，以免酒精挥发改变浓度。　 　　　　　　　　
二、粉的厚度　
实验中痱子粉的作用是界定油膜大小的边界，痱子粉过厚，油膜不易扩散，使水面的痱子粉开裂，痱子粉太少，油膜边界不清。教材中要求学生将痱子粉均匀地撒在水面上，如何“撒”．这是关键，为了让学生撒好痱子粉，可先将痱子粉装入小布袋中，然后拿一细木棒在水面上方轻敲布袋，即可得到均匀的、很薄的一层痱子粉。具体撒多薄的痱子粉，教师要事先试验．心中有数，并指导学生操作。　　　　　　　　　
三、点的滴法　
实验时，把配好的浓度为1‰的油酸溶液约（3ml～5ml）分到5ml量筒中，发给各小组，让学生用液管抽取溶液，一滴一滴地滴入小量筒，训练准确、均匀地滴点。在练习之前，教师应示范滴管的拿取姿势，用左手食指、中指挟住滴管的中部．右手拇指和食指摄住滴管的胶头，两手掌靠拢。形成一个稳定的姿势，再把两肘支在桌上，这样可保证滴出每滴溶液时所用的力始终不变，数出的滴数误差就会减小。学生按上述方法操作，记下小量筒内增加一定体积（例如lml）时的滴数。接下来把一滴油酸溶液滴入撒好痱子粉的水面中央，这滴油酸溶液立刻伸展为一个80cm2，140cm2左右的以痱子粉为边界的近圆形油膜，边缘是锯齿形，当油膜中的无水乙醇挥发、溶解后．油膜便自动收缩为60cm2－120cm2的近圆形油膜。浅盘上盖好玻璃，用彩笔描出油膜边界，用坐标纸量出油膜面积。　
注意了以上三个问题后，这个实验就不难成功了，实验过程中，另外注意浅盘选深度为5cm左右的圆盘，口径选40cm以上，底色用棕、黑等深色，痱子粉应保证干燥，浅盘中的水应提前放置（静置）10小时以上，滴管往浅盘水面上滴油酸溶液时，滴管口距下面的高度应在1cm 之内，当重做实验时，应用大量清水把钱盘及量筒、滴管洗净，有条件的学校如用热水清洗或酒清擦试后再冲洗效果更佳。　
总之，只要教师精心准备，对学生认真指导，则可观察到应有的实验现象，一定会得到与油酸分子公认值1．12 × 10-9很接近的测量估算值。