实验09：用油膜法估测分子直径

-1-实验九：用油膜法估测分子直径【实验播放】1、实验目的：(1)知道本实验的原理及所需的器材，了解实验注意的事项。(2)会正确测出一滴油酸酒精溶液中油酸的体积及形成油膜的面积。(3)会计算分子的大小，处理好实验数据。(4)领会本实验方法构思的特点，理解间接测量微观量的思想。2、实验原理：油酸分子的一端具有亲水性，另一端具有憎水性，当把酒精稀释过的油酸滴在水面上时，油酸便在水面上散开，其中酒精溶于水，并很快挥发，在水面上形成有自由边界的一层纯油酸薄膜，形成单分子油膜。如果将油酸看作是球状模型，测出一定体积的油酸溶液在水面上形成的油膜面积，计算出油膜的厚度，这个厚度就等于分子的直径。3、实验器材盛水的容器，在溶液刻度并能使油滴溶液一滴一滴下落和滴管或注射器，一个量筒，按一定的比例(一般为1：200)稀释了的油酸溶液，带有坐标方格的透明有机玻璃盖板(面积略大小容器的上表面积)，少量痱子粉或石膏粉，彩笔。4、实验步骤(1)用注射器或滴管将一定容积的油酸溶液一滴一滴地滴入量筒，记下量筒内增加一定体积的滴数，求出一滴油酸溶液中所含纯油酸的体积V。(2)向容器中倒入约2cm深的水，将痱子粉均匀地撒在水面上。(3)小心地将一滴油酸溶液滴到水面上，让它在水面上自由地扩展为油酸膜。(4)轻轻地将有机玻璃盖板放到容器上，用彩笔将油酸膜的形状画在玻璃板上。(5)利用坐标方格计算出油膜的面积S，再根据一滴溶液中纯油酸的体积和油膜的面积求出油膜的厚度D=SV，即为所测分子和直径。5、数据处理(1)计算分子直径时，注意加的不是纯油酸，而是酒精油酸溶液，在利用公式d=SV计算时，式中的V不是溶液的体积．而应该进行换算，计算出1滴酒精油酸溶液中纯油酸的体积，方法是：设n滴酒精油酸溶液是1mL，则每1滴的酒纯油酸溶液的体积是n1mL，事先知道配制溶液的比例是M1，则1滴溶液中的纯油酸体积V=n1·M1mL。式中的S-2-是滴入水中后，纯油酸形成的油膜，其面积用数坐标纸上对应的格数来计算，以1cm为边长的坐标纸上占了多少个格，其面积就是多少平方厘米，数格时，不足半个格的舍去，多于半格的算1个格．这样就可粗略地计算出油酸分子的直径．6、注意事项(1)痱子粉不要撒得太多，只要能够帮助看清油膜边界即可。(2)滴入油酸溶液时，一定要细心，不要一下滴得太多，使油膜的面积过大。(3)待测油酸面扩散后又收缩，要在稳定后再画轮廓．扩散后又收缩有两个原因：第一是水面受油酸滴冲击凹陷后恢复；第二是酒精挥发后液面收缩．(4)利用坐标求油膜面积时，以边长1cm的正方形为单位，计算轮廓内正方形的个数时，不足一个的均算半个。(5)当重做实验时，水从盘的一侧边缘倒出，在这侧面会残留油酸，用少量酒精清洗，并用脱脂棉擦去再用清水冲洗．这样可保持盘的清洁．7、误差分析(1)由于我们是采用间接测量的方式测量分子的直径，实验室中配制的酒精溶液的浓度、油酸在水面展开的程度、油酸面积的计算都直接影响测量的准确程度。(2)虽然分子直径的数量级应在10-10m。但中学阶段，对于本实验只要能测出油酸分子直线的数量级在10-9m上即可认为是成功的。【试题解析】例1在做“用油膜法估测分子大小”的实验中，所用油酸酒精溶液的浓度为每104mL溶液中有纯油酸6mL，用注射器测得1mL上述溶液75滴．把1滴该溶液滴人盛水的浅盘里，待水面稳定后，将玻璃板放在浅盘上，用笔在玻璃板上描出油酸的轮廓，再把玻璃板放在坐标纸上，其形状和尺寸如图1所示．坐标中正方形方格的边长为1cm，试求：(1)油酸膜的面积是多少cm2?(2)每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积?(3)按以上实验数据估测出油酸分子的直径．解析(1)由图形状，其中正方形方格87个，用补偿法近似处理，可补19个整小方格．实际占小方格87+19=106，那么油膜面积S=106×1cm2=106cm2．(2)由1mL溶液中有75滴，1滴溶液的体积751mL．又每104mL溶液中有纯油酸6mL，751mL溶液中纯油酸的体积V=4106×751mL=8×10-6mL．(3)油酸分子直径D==SV=7.5×10-10m。-3-例2在用油膜法估测分子的大小实验中，已知一滴溶液中油酸的体积为V，配制的油酸溶液中，纯油酸与溶液体积之比为1：500，1mL溶液油酸25滴，那么1滴溶液的体积是mL，所以一滴溶液中油酸体积为cm3，若实验中测得结果如下表所示，请根据所给数据填写出空白处的数值，并与公认的油酸分子长度值L0=1.12×10-10m做比较，并判断此实验是否符合数量级的要求．次数S(cm2)L=SV(10-7cm)L的平均值153324933563解析由题给条件得，1滴溶液的体积V=251mL，由题意可知：1滴溶液中油酸体积5001×251cm3=8×10-5cm3．据此算得3次测得L的结果分别为1.50×10-7cm、1.62×10-7cm、1.42×10-7cm，其平均值L=3321LLL=1.51×10-7cm=1.51×10-10m，这与公认值的数量级相吻合，故本次估测数值符合数量级的要求．【实验拓展】1．学科间综合例3油酸分子式是C17H33COOH，其中对水有很强的亲和力，故当它滴入水中时，油酸分子能在水中，形成一个油膜．解析油酸的化学分子式是C17H33COOH．它的一个分子可以设想为两部分组成：一部分是C17H33-，它不受水的吸引；另一部分是-COOH，它对水有很强的亲合力．经过酒精稀释的油酸滴在水面上形成近似圆形的油膜，酒精溶于水并挥发后，在水面上形成一层单分子纯油酸层，其中C17H33-冒出水面，而-COOH部分在水中．如图2所示，估算油酸分子的最大长度只需求出这层油膜的厚度即可．2．分子间距离的计算例4如图3所示,食盐(NaCl)的晶体是由钠离子(图中○)和氯离子(图中●)组成的.这两种离子在空间中三个互相垂直的方向上,都是等距离地交错排列的.已知食盐的摩尔质量是58.5g/mol,食盐的密度是2.2g/cm3.阿伏伽德罗常数为6.0×1023mol-1.在食盐晶体中两个距离最近的钠离子中心间的距离的数值最接近于(就下面四个数值相比).-4-A.3.0×10-8cmB.3.5×10-8cmC.4.0×10-8cmD.5.0×10-8cm解析由题意可知，每立方厘米所含食盐的摩尔数为a=55822..mol/cm3，其所包含的分子数为n=55822..×6.0×1023=2.26×1022个/cm3，则所含离子数为2n，则每个离子所占有的体积为V0=26221.×10-22cm3=2.2×10-23cm3，将离子视为立方体，则两个距离最近的钠离子中心间的距离为其立方体的边长的2倍，即d=2·30V=3.9×10-8cm，即答案C正确。【考点训练】1．如何利用注射器较准确地测出1mL油酸溶液的体积?2．在做“用油膜法估测分子的大小”实验中，准备以下器材：酒精稀释过的油酸、滴管、痱子粉、浅盘及水、玻璃板，还缺少的器材有()A．彩笔B．量筒C．方格坐标纸D．深水槽3．在“用油膜法估测分子的大小”的实验中，关于油膜面积的测量方法，下列做法中正确的是()A．油酸酒精溶液滴入水中后，应立即用刻度尺去量油膜的面积B．油酸酒精溶液滴入水中后，应让油膜尽可能地散开，再用刻度尺去量油膜的面积C．油酸酒精溶液滴入水中后，应立即将油膜的轮廊画在玻璃板上，再利用坐标纸去计算油膜的面积．D．油酸酒精溶液滴入水中后，应让油膜尽可能散开，再把油膜的轮廓画在玻璃板上，然后用坐标纸去计算油膜的面积．4．在做“用油膜法测分子大小”的实验中，为什么要待容器中的水稳定后才进行测量?若油酸分子直径的数量级为10-10m，某同学的测量结果大于这个数量级，试分析可能的原因．5．下列关于“用油膜法估测分子的大小”说法中，错误的是()A．油膜法可以非常准确地将油膜分子的直径测量出来B．油膜法只能估测出分子直径的数量级C．为了使测量更准确些，应该保持容器的清洁，在实验过程中注意浅盘的稳定性D．实验的误差主要出在数出1mL溶液可以滴多少滴以及一滴溶液中含有多少体积纯油酸的计算上，为准确起见，应在实验前加强练习，多测几次取平均值6．在计算一滴稀释油酸的体积时，要数出1mL溶液中可以滴n滴，从而计算出一滴溶液中含有mL的纯油酸．(每1mL溶液含LmL纯油酸)7．对于油酸分子竖立在水面上，下列说法正确的是()A．油酸分子可分为两个部分，其中-COOH对水有很强的亲和力，故能使油酸分子-5-竖立漂在水面上，形成单分子油膜层B．油酸分子可分为两个部分，其中C17H33-对水有很强的亲和力，故能使油膜分子竖立在水中，形成单分子油膜层C．油膜分子竖立水中时，油膜分子两个部分中的-COOH留在水里，C17H33-露出水面D．油膜分子竖立水中时，它两个部分中的-COOH露出水面而C17H33-留在水中8．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人量筒，记录滴人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．9．下面哪些措施可以减小“用油膜法估测分子的大小”的实验的误差()．A．装在浅盘中的水用蒸馏水D．向水中滴油酸酒精溶液液滴时，只要注射器针尖离水面近一些就可以，没有其他要求C．在描绘油膜形状时，透明盖板要离水面近些D．在油膜稳定后再描绘油膜的形状10．在做“用油膜法估测分子的大小”的实验中，油酸酒精溶液的浓度为每104mL溶液中有纯油酸6mL．用注射器测得1mL上述溶液中有液滴50滴．把1滴该溶液滴入盛水的浅盘里，待水面稳定后，将玻璃板放在浅盘上，在玻璃板上描出油膜的轮廓，随后把玻璃板放在坐标纸上，其形状如图4所示，坐标纸中正方形小方格的边长为20mm．求：(1)油酸膜的面积；(2)每一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积；(3)根据上述数据，估测出油酸分子的直径．【答案与提示】1．在将注射器中注满油酸溶液后，应首先使针头朝上，把气泡排出，再使注射器针头竖直朝下．一般来说用手下推活塞很难保证活塞匀速运动，易造成油滴大小不一，而拔出活塞，让油酸溶液在重力作用下自由滴下效果较好．2．ABC3．对实验要点熟悉之后，很容易得出答案：D．-6-4．因水不稳定时易发生波动及振动，不易形成完整、准确的膜，从而导致误差较大．原因可能是油酸酒精浓度过大，一滴混合溶液中油酸的体积就大，形成单分子的油膜面积就大．而盛水的容器面积不够，油酸散到容器边上时散不开，即不能形成尽量薄的单分子油膜，造成测量误差较大．也可能盛水容器太小，痱子粉撒得过厚也是造成测量误差的原因．5．A6．nL7．AC8．(1)球形单分子油膜直径(2)1.11×10-9。9．蒸馏水中不含杂质，不致对实验产生影响，因此A选项正确．在向水中滴油酸溶液液滴时，注射器针尖要尽量靠近水面，避免对水面产生太大的冲击．如果液滴下落高度太大，对水面冲击太大，会形成爆炸式的、含有大锯齿形的油膜面，给测量造成困难．同时，滴液滴时还要求滴在膜的中央，因此B选项错误．在描绘油膜形状时，盖板离水面近些便于描绘，C选项正确．同时还要注意：①眼睛应在油膜的正上方，并使视线与油膜垂直；②在描绘过程中要避免引起水面振动．在油酸溶液液滴滴入水中后，会发现油膜面积先增大、后减小的现象，这是因为油膜中的无水乙醇的溶解和蒸发需要时间，一般在大油膜形成后1～2s的时间，就可以收缩成稳定的、面积较小的油膜，应在此时测量，D选项正确．答案A、C、D．10．(1)由图中数得油酸薄膜轮廓内约包含62个方格，每个方格的面积