实验：用油膜法估测分子的大小

第4节实验：用油膜法估测分子的大小一、实验目的1．用油膜法估测分子的直径．2．学习一种估测分子大小数量级的方法．二、实验原理用油膜法测定分子大小的原理是：用累积法则出油滴的体积V0，根据溶液浓度算出纯油酸的体积V，测出油滴形成单分子油膜层的面积S，如果把分子看做球形，就可算出油酸分子的直径d＝VS.分子虽然很小，但分子间有空隙，除一些有机物质的大分子以外，一般物质分子直径的数量级都是10－10m.本实验采用使油酸在水面上形成一层单分子的油膜的方法，估测分子的大小，油酸是一种脂肪酸，它的分子和水有很强的亲和力，当它浮于水面时，能形成一个单分子层油膜，如果油膜分子可以大致看做球形，油膜的厚度就是分子的直径，如图所示．三、实验器材用酒精稀释过的油酸、滴管、痱子粉、浅盘及水、玻璃板、彩笔、量筒、坐标纸．四、实验步骤1．配制油酸酒精溶液，取1mL的油酸滴入酒精中配制成500mL的油酸酒精溶液．2．用滴管或注射器将事先配制好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，记下量筒内增加一定体积(例如1mL)时的滴数，算出一滴油酸酒精溶液的体积．3．实验时先向边长为30～40cm的浅盘里倒入约2cm深的水，然后将痱子粉或石膏粉均匀地撒在水面上用滴管往水面上滴一滴油酸酒精溶液，油酸立即在水面上散开，形成一块薄膜．4．待油酸薄膜的形状稳定后，将玻璃板放在浅盘上，然后将油酸膜的形状用彩笔画在玻璃板上．5．将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，算出油酸薄膜的面积S.求面积时以坐标纸上边长为1cm的正方形为单位．数出轮廓内正方形的个数，不足半个的舍去，多于半个的算一个．6.根据配制的油酸酒精溶液的浓度，算出一滴溶液中纯油酸的体积V.根据一滴纯油酸的体积V和薄膜的面积S即可算出油酸薄膜的厚度d＝VS，即油酸分子的大小．科目三考试实际道路考试技巧、视频教程科目四考试科目四仿真考试根据上面记录的数据，完成以下表格.实验次数量筒内增加1mL溶液时的滴数轮廓内的小格子数轮廓面积S12实验次数一滴纯油酸的体积V分子的直径(m)平均值12五、数据处理六、误差分析用油膜法估测分子的直径，通常可以测得比较准，实验误差通常来自三个方面：1．形成单分子油膜只有形成单分子油膜，才能用油膜的厚度代表分子的直径，即d＝VS.要求使用的酒精的浓度、痱子粉的用量适宜．2．油滴的体积V用累积法测油滴的体积．先测出1mL的油酸酒精溶液的滴数，从而计算出一滴油酸酒精溶液的体积，再由油酸酒精溶液的浓度算出纯油酸的体积．3.油膜的面积S用坐标纸测出形状不规则油膜的面积．数出不规则图形的轮廓包围的方格数，计算方格数时，不足半格的舍去，多于半格的算一个，方格边长的单位越小，这种方法求出的面积越精确．七、注意事项1．油酸酒精溶液的浓度应小于0.1%.2．痱子粉的用量不要太多，否则不易成功．3．测1滴油酸酒精溶液的体积时，滴入量筒中的油酸酒精溶液的体积应为整毫升数，应多滴几滴，数出对应的毫升数，这样求平均值时误差较小．4．浅盘里水离盘口面的距离应小些，并要水平放置，以便准确地画出油膜的形状，画线时视线应与板面垂直．5．要待油膜形状稳定后，再画轮廓．6．利用坐标纸求油膜面积时，以边长1cm的正方形为单位，计算轮廓内正方形的个数，不足半个的舍去，大于半个的算一个．7．做完实验后，把水从盘的一侧边缘倒出，并用少量酒精清洗，然后用脱脂棉擦去，最后用水冲洗，以保持盘的清洁．八、实验改进在做本实验时，把痱子粉均匀撒在水面上是很关键的一步．在实际操作时常撒的不均匀或撒得过多，因痱子粉不溶于水又不能搅拌，只好重做．可用印刷碳粉代替痱子粉，因为印刷碳粉不溶于水且漂浮在水面上，若撒的太多，可将水和碳粉一起倒出，然后用玻璃棒搅拌，直至碳粉在水面薄且均匀，若撒的不均匀，可直接用玻璃棒搅拌均匀．题型一：对实验原理和步骤的考查例1用油膜法估测分子大小的实验步骤如下：①向体积为V1的纯油酸中加入酒精，直到油酸酒精溶液总量为V2；②用注射器吸取上述溶液，一滴一滴地滴入小量筒，当滴入n滴时体积为V0；③先往边长为30～40cm的浅盘里倒入2cm深的水；④用注射器往水面上滴一滴上述溶液，等油酸薄膜形状稳定后，将事先准备好的玻璃板放在浅盘上，并在玻璃板上描出油酸薄膜的形状；⑤将画有油酸薄膜轮廓形状的玻璃板，放在画有许多边长为a的小正方形的坐标纸上；⑥计算出轮廓范围内正方形的总数为N，其中不足半个格的两个格算一格，多于半个格的算一格．上述实验步骤中有遗漏和错误，遗漏的步骤是______；错误的步骤是____________________(指明步骤，并改正)，油酸分子直径的表达式d＝____________________.【解析】本题考查的是用油膜法测分子直径，意在考查学生对单分子油膜的理解和粗略估算能力．本实验中为了使油膜不分裂成几块，需在水面上均匀撒上痱子粉；由于本实验只是一种估算，在数油膜所覆盖的坐标格数时，大于半个格的算一个格，少于半个格的舍去；油酸溶液在水面上充分扩散后形成一层单分子油膜，油膜厚度可看成分子直径，由题意可知，油酸溶液的浓度为V1V2，一滴油酸溶液的体积为V0n，一滴油酸溶液中含纯油酸体积为V1V0nV2，一滴油酸溶液形成的油膜面积为Na2，所以油膜厚度即分子直径d＝V1V0NV2a2n.【答案】将痱子粉均匀撒在水面上错误的步骤是⑥，应该是不足半个格的舍去，多于半个格的算一格V1V0NV2a2n例2在做用油膜法估测分子大小的实验中，将油酸溶于酒精，其浓度为每104mL溶液中有6mL油酸，用注射器测得1mL上述溶液有75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，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是多少？(3)按以上实验数据估测出油酸分子的直径．题型二：数据的处理和计算【答案】(1)126cm2(2)8×10－6mL(3)6.3×10－10m【解析】(1)根据图形，数得格子数为126个，那么油膜面积是S＝126×1cm2＝126cm2.(2)根据已知条件可知，1mL溶液中有75滴，1滴溶液的体积是175mL.又已知每104mL溶液中有纯油酸6mL，175mL溶液中纯油酸的体积是V＝6×175104mL＝8×10－6mL.(3)油酸分子的直径为d＝VS＝8×10－6126cm≈6.3×10－10m.【巩固基础】*1．“用油膜法估测分子的大小”实验的科学依据是()A．将油酸形成的膜看成单分子油膜B．不考虑各油酸分子间的间隙C．考虑了各油酸分子间的间隙D．将油酸分子看成球形ABD【解析】“用油膜法估测分子的大小”的原理是将一滴油酸(体积为V)滴入水中，使之形成一层单分子油膜，成为一个一个单层排列的球形体．显然球形体的直径即为单分子油膜的厚度d.假设单分子油膜的面积为S，必然有d＝VS.所以“用油膜法估测分子的大小”实验的科学依据是A、B、D.*2．某学生在做“用油膜法估测分子的大小”的实验时，计算结果偏大，可能是由于()A．油酸未完全散开B．油酸溶液浓度低于实际值C．计算油膜面积时，舍去了所有不足一格的方格D．求每滴体积时1mL的溶液的滴数多记了10滴AC【解析】由d＝VS知，选项A、C会导致油膜面积偏小，会使d偏大；选项B、D会使油酸体积偏小，分子直径d偏小．3．用油膜法估测油酸分子的大小，实验器材有：浓度为0.05%(体积分数)的油酸酒精溶液、最小刻度为0.1mL的量筒、盛有适量清水的45×50cm2浅盘、痱子粉、橡皮头滴管、玻璃板、彩笔、坐标纸．(1)下面是实验步骤，请填写所缺的步骤CA．用滴管将浓度为0.05%油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，记下滴入1mL油酸酒精溶液时的滴数N.B．将痱子粉均匀地撒在浅盘内水面上，用滴管吸取浓度为0.05%的油酸酒精溶液，从低处向水面中央一滴一滴地滴入，直到油酸薄膜有足够大的面积又不与器壁接触为止，记下滴入的滴数n.C．____．D．将画有油酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，以坐标纸上边长为1cm的正方形为单位，计算轮廓内正方形的个数，算出油酸薄膜的面积S.(2)用已给的和测得的物理量表示单个油酸分子的直径大小(单位：cm)．将玻璃板放在浅盘上，用彩笔将油酸薄膜的形状画在玻璃板上0.05%nNS【解析】(1)将玻璃板放在浅盘上，用彩笔将油酸薄膜的形状画在玻璃板上．(2)1滴油酸溶液中含有的油酸体积为0.05%NmL，向浅盘中共滴入油酸的体积V＝0.05%nNcm3，所以单个油酸分子的直径为d＝VS＝0.05%nNScm.【提升能力】4．在“用油膜法估测分子大小”实验中所用的油酸酒精溶液为1000mL溶液中有纯油酸0.6mL，用量筒测得1mL上述溶液为80滴，把1滴该溶液滴入盛水的浅盘内，让油膜在水面上尽可能散开，油酸薄膜的轮廓形状和尺寸如图所示，图中正方形方格的边长为1cm，试求：(1)油酸膜的面积是cm2.113(113～115都正确)(2)实验测出油酸分子的直径是m．(结果保留两位有效数字)(3)实验中为什么要让油膜尽可能散开？6.6×10－10(6.5×10－10～6.6×10－10都正确)这样做的目的是为了让油膜在水面上形成单分子油膜【解析】(1)求油膜面积时，先数出整方格的个数，对剩余小方格的处理方法是：不足半个的舍去，多于半个的算一个，因此共有113个．一个小方格的面积S0＝L2＝1cm2，所以面积S＝113×1cm2＝113cm2.(2)一滴溶液中纯油酸的体积为V＝0.61000×180mL＝7.5×10－12m3.油酸分子直径为d＝VS＝7.5×10－12113×10－4m＝6.6×10－10m．(6.5×10－10～6.6×10－10都正确)(3)油膜尽可能散开有利于让油膜在水面上形成单分子油膜．5．在“用油膜法估测分子的大小”的实验中，已知一滴溶液中油酸的体积为V油酸，配制的油酸溶液中，纯油酸与溶液体积之比为1∶500,1mL该溶液滴250滴．那么1滴溶液的体积是mL，所以一滴溶液中油酸体积为V油酸＝cm3.8×10－61250次数S/cm2L＝VS/cmL平均值153324933563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线度值L0＝1.12×10－10m作比较，并判断此实验是否符合数量级的要求：(填“符合”或“不符合”)．符合【解析】由题给条件得，1滴溶液的体积为V溶液＝1250mL，因为V油酸V溶液＝1500，故1滴溶液中油酸体积为V油酸＝1500V溶液＝1500×1250cm3＝8×10－6cm3.据此算得3次测得L的结果分别为1．50×10－8cm、1.62×10－8cm、1.42×10－8cm，故其平均值为L＝L1＋L2＋L33＝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．6．在研究微观世界里的物质时，通常需要借助估算和建立模型的方法．对于液体分子，一般建立球体模型或者立方体模型来估算分子直径，而实验室中常用油膜法估测分子直径．(1)分别写出上述估算分子直径的三种方法的最简表达式；(要求说明所使用字母的物理意义)①分子构建成球体模型时，用d表示分子直径，V0表示单个分子的体积，V0＝43π(d2)3，d＝36V0π；②分子构建成立方体模型，V0表示的物理意义同上，d表示分子的边长，则有V0＝d3，d＝3V0.③油膜可视为单分子油膜时，令d表示分子直径，V表示油膜的体积，S表示油膜面积，则油膜厚度等于分子直径，即d＝VS.(2)在做“用油膜法估测分子大小”的实验时，已准备好的实验器材有：酒精油酸溶液、滴管、浅盘和水、玻璃板、彩笔和坐标纸、痱子粉．①还缺少；量筒试求：a．油酸薄膜的面积约是多少？b．每滴酒精油酸溶液中含有纯油酸的体积是多少？c．按以上实验数据估测出油酸分子的直径．②已知油酸的浓度