資源簡介

實驗學案54 用油膜法估測分子的大小
實驗目的
1．估測油酸分子的大小．
2．學習間接測量微觀量的原理和方法．
實驗原理
圖1
　利用油酸的酒精溶液在平靜的水面上形成________油膜(如圖1所示)，將油酸分子看做球形，測出一定體積油酸溶液在水面上形成的油膜面積，用d＝________計算出油膜的厚度，其中V為一滴油酸溶液中純油酸的體積，S為油膜面積．這個厚度就近似等于油酸分子的______．
實驗器材
盛水淺盤、滴管(或注射器)、試劑瓶、坐標紙、玻璃板、痱子粉、油酸酒精溶液、量筒、彩筆．
實驗步驟
1．用滴管(或注射器)將油酸酒精溶液滴入量筒，數出每毫升油酸酒精溶液的滴數，算出每滴液滴體積的平均值．
2．把洗干凈的淺盤水平放置，倒入約2 cm深的水．用紗網(或粉撲)將適量的痱子粉(或石膏粉)輕輕灑在水面上．
3．用滴管(滴管距離水面約1 cm)將一滴油酸酒精溶液輕輕滴入水面中央，待油膜形狀穩定后，將事先準備好的玻璃板放在淺盤上，在玻璃板上描下油酸膜的形狀．
4．將畫有油酸膜輪廓的玻璃板放在坐標紙上，計算輪廓范圍內正方形小方格的個數(不足半格的舍去，多于半格的算一個格)，估測出油膜的面積，估算油酸分子的直徑．
5．清洗淺盤，擦去玻璃板上的油膜輪廓線，重復做2次至3次實驗．
數據處理
根據上面記錄的數據，完成以下表格內容.
實驗次數 量筒內增加1 mL溶液時的滴數 輪廓內的小格子數 輪廓面積S
1
2
實驗次數 一滴純油酸的體積V 分子的大小(m) 平均值
1
2
注意事項
1．實驗前，必須將所有的實驗用具擦洗干凈．實驗時，吸取油酸、酒精和溶液的移液管要分別專用，不能混用，否則會增大實驗誤差．
2．痱子粉和油酸的用量都不可太大，否則不易成功．
3．油酸酒精溶液的濃度以小于0.1%為宜，不宜長時間放置．
4．淺盤中的水離盤口面的距離應較小，并要水平放置，以便準確地畫出薄膜的形狀，畫線時視線應與板面垂直．
5．油酸在水面上形成油膜時先擴散后收縮，要在穩定后再畫輪廓．擴散后又收縮的原因有兩個：一是水面受液滴沖擊凹陷后又恢復；二是酒精揮發后，油膜回縮．
6．滴油酸酒精溶液的滴口應在離水面1 cm之內，否則油膜難于形成．
7．因為水和油酸都是無色透明的液體，所以要用痱子粉來顯示油膜的邊界．注意要從盤的中央加痱子粉．由于加粉后水的表面張力系數變小，水將粉粒拉開，同時粉粒之間又存在著排斥作用，粉會自動擴散至均勻．這樣做，比將粉撒在水面上的實驗效果要好；撒痱子粉后，不要再觸動盤中的水．
8．當重做實驗時，水從盤的一側邊緣倒出，在這側邊緣會殘留油酸．為防止影響下次實驗時油酸的擴散和油膜面積的測量，可用少量酒精清洗，并用脫脂棉擦去，再用清水沖洗，這樣可保持盤的清潔．
9．本實驗只要求估算分子的大小，實驗結果數量級符合要求即可．
誤差分析
1．油酸酒精溶液配制后長時間放置，溶液的濃度容易改變，會給實驗帶來較大誤差．
2．利用小格子數計算輪廓面積時，輪廓的不規則性容易帶來計算誤差．為減小誤差，不足半個格子的舍去，多于半個格子的算一個．方格邊長的單位越小，計算出的面積越精確．
3．測量量筒內溶液增加1 mL的滴數時，注意正確的觀察方法．
4．油膜形狀的畫線誤差．
題型一　實驗原理和步驟的考查
【例1】在“油膜法估測油酸分子的大小”實驗中，有下列實驗步驟
①往邊長約為40 cm的淺盤里倒入約2 cm深的水，待水面穩定后將適量的痱子粉均勻地撒在水面上．
②用注射器將事先配好的油酸酒精溶液滴一滴在水面上，待薄膜形狀穩定．
③將畫有油膜形狀的玻璃板平放在坐標紙上，計算出油膜的面積，根據油酸的體積和面積計算出油酸分子直徑的大小．
④用注射器將事先配好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，記下量筒內每增加一定體積時的滴數，由此計算出一滴油酸酒精溶液的體積．
⑤將玻璃板放在淺盤上，然后將油膜的形狀用彩筆描繪在玻璃板上．
完成下列填空：
(1)上述步驟中，正確的順序是________．(填寫步驟前面的數字)
(2)將1 cm3的油酸溶于酒精，制成300 cm3的油酸酒精溶液；測得1 cm3的油酸酒精溶液有50滴．現取一滴該油酸酒精溶液滴在水面上，測得所形成的油膜的面積是0.13 m2.由此估算出油酸分子的直徑為________m．(結果保留1位有效數字)
題型二　實驗數據的處理
【例2】 在“用油膜法估測分子的大小”的實驗中，已配制好油酸酒精溶液，其中油酸體積占溶液總體積的百分比為k.在量筒中滴入N滴油酸酒精溶液，讀出總體積為V.現將一滴這樣的溶液滴在水面上，其散開的油膜在帶有方格的玻璃板上描繪的圖形如圖2所示．已知玻璃板上每個小方格的長和寬均為a.由此計算：
圖2
(1)油膜的面積等于多少？
(2)油酸分子的直徑是多少？
題型三　誤差分析及注意事項
【例3】 某同學在“用油膜法估測分子的大小”實驗中，計算結果明顯偏大，其原因可能是(　　)
A．油酸未完全散開
B．油酸中含有大量的酒精
C．計算油膜面積時，舍去了所有不足一格的方格
D．求每滴油酸酒精溶液的體積時，1 mL的溶液的滴數誤多記了10滴
1．用油膜法測分子直徑的實驗中做了哪些科學的近似(　　)
A．把在水面上盡可能擴散開的油膜視為單分子油膜
B．把形成油膜的分子看做緊密排列的球形分子
C．將油膜視為單分子油膜，但需要考慮分子間隙
D．將油酸分子視為立方體模型
2．在做“用油膜法估測分子的大小”的實驗中，備有下列器材：油酸酒精溶液、滴管、痱子粉、淺盤及水、玻璃板、彩筆．還缺少的器材是(　　)
A．只有量筒 B．只有坐標紙
C．量筒和坐標紙 D．不再缺少儀器
3．“用油膜法估測分子的大小”實驗的簡要步驟如下：
A．將畫有油膜輪廓的玻璃板放在坐標紙上，數出輪廓內的方格數(不足半格的舍去，多于半格的算一個)，再根據方格的邊長求出油膜的面積S.
B．將一滴油酸酒精溶液滴在水面上，待油酸薄膜的形狀穩定后，將玻璃板放在淺盤上，用彩筆將薄膜的形狀描畫在玻璃板上．
C．用淺盤裝入約2 cm深的水．
D．用公式d＝，求出薄膜厚度，即油酸分子的大小
E．根據油酸酒精溶液的濃度，算出一滴溶液中純油酸的體積V.
(1)上述步驟中有步驟遺漏或步驟不完全，請指出：
①________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
②________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
(2)上述實驗步驟的合理順序是________________．
4.在“用油膜法估測分子的大小”實驗中，已知一滴溶液中油酸的體積為V油酸，配制的油酸溶液中，純油酸與溶液體積之比為1∶500,1 mL溶液滴250滴，那么1滴溶液的體積是________mL，所以一滴溶液中油酸體積為V油酸＝________cm3.若實驗中測得結果如下表所示，請根據所給數據填寫出空白處的數值，并與公認的油酸分子長度值L0＝1.12×10－10 m作比較，并判斷此實驗是否符合數量級的要求.
次數 S/cm2 L＝/cm L平均值/m
1 533
2 493
3 563
5.油酸酒精溶液的濃度為每1 000 mL油酸酒精溶液中有油酸0.6 mL，現用滴管向量筒內滴加50滴上述溶液，量筒中的溶液體積增加了1 mL，若把一滴這樣的油酸酒精溶液滴入足夠大盛水的淺盤中，由于酒精溶于水，油酸在水面展開，穩定后形成的純油膜的形狀如圖3所示．若每一小方格的邊長為25 mm，試問：
圖3
(1)這種估測方法是將每個油酸分子視為________模型，讓油酸盡可能地在水面上散開，則形成的油膜可視為________油膜，這層油膜的厚度可視為油酸分子的________．圖中油酸膜的面積為________m2；每一滴酒精油酸溶液中含有純油酸體積是________m3；根據上述數據，估測出油酸分子的直徑是________m．(結果保留兩位有效數字)
(2)某同學在實驗過程中，距水面約2 cm的位置將一滴油酸酒精溶液滴入水面形成油膜，實驗時觀察到，油膜的面積會先擴張后又收縮了一些，這是為什么呢？
請寫出你分析的原因：____________________________________________________
________________________________________________________________________.
圖4
6．在“用油膜法估測分子大小”的實驗中，所用的油酸酒精溶液的濃度為每1 000 mL溶液中有純油酸0.6 mL，用注射器測得1 mL上述溶液為80滴，把1滴該溶液滴入盛水的淺盤內，讓油膜在水面上盡可能散開，測得油酸薄膜的輪廓形狀和尺寸如圖4所示，圖中正方形方格的邊長為1 cm，試求：
(1)油酸膜的面積是________cm2；
(2)實驗測出油酸分子的直徑是________m；(結果保留兩位有效數字)
(3)實驗中為什么要讓油膜盡可能散開？
7.用油膜法估測分子的大小方法及步驟如下：
A．向體積V油＝1 mL油酸中加酒精，直至總量達到V總＝500 mL.
B．用注射器吸取A中油酸酒精溶液，把它一滴一滴地滴入小量筒中，當滴入n＝100滴時，測得其體積恰好是V0＝1 mL.
C．先往邊長30～40 cm的淺盤里倒入2 cm深的水，然后將________加到盤的中央，讓其自動擴散至均勻．
D．用注射器往水面上滴一滴油酸酒精溶液，待油酸薄膜形狀穩定后，將事先準備好的玻璃板放在淺盤上，并在玻璃板上描下油酸膜的形狀．
E．將畫有油酸膜輪廓的玻璃板放在坐標紙上，如圖5所示，數出輪廓范圍內正方形的個數N，正方形邊長l＝20 mm.根據以上信息，回答下列問題．(有數值計算的問題，先用信息中字母寫出表達式再代入數值并統一單位算出結果)
圖5
(1)步驟C中應填寫：________.
(2)1滴油酸酒精溶液中純油酸的體積V純是______ mL.
(3)油酸分子直徑是________ m.
實驗學案54　用油膜法估測分子的大小
實驗原理
單分子　V/S　直徑
例1 (1)④①②⑤③　(2)5×10－10
解析　(2)d＝＝ m≈5×10－10 m.
例2 (1)26a2　(2)
解析　(1)油膜面積約占26小格，油膜面積為S＝26a2
(2)一滴油酸酒精溶液中所含有純油酸體積為k，所以油酸分子的直徑d＝＝.
例3 AC
選項 分析 結論
A 油酸未完全散開，S測小于完全散開后的最大面積，d偏大 正確
B 溶液中酒精部分揮發到空氣中，部分溶解于水，不影響純油酸體積 錯誤
C 計算面積時，舍去了所有不足一格的方格，導致S測偏小，則d偏大 正確
D 1 mL溶液誤多記了10滴，則所求得油酸體積偏小，d偏小 錯誤
1．AB　[用油膜法估測分子大小，必須將分子視為球形，并且不考慮分子間隙；水面上的膜為單分子油膜．只有如此，油膜的厚度才能視為分子直徑，即d＝.]
2．C　[開始實驗前必須用滴管將配好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，記下量筒內溶液增加一定體積時的滴數，從而計算出一滴油酸酒精溶液的體積．在玻璃板上畫出油膜的形狀后，要放在坐標紙上，以便計算油膜的面積，所以選擇C.(說明：有些配套儀器中，玻璃板上帶有刻度，不再需要坐標紙)]
3．(1)①C步驟中，要在水面上撒上痱子粉或細石膏粉
②實驗時，還需要：F.用注射器或滴管將事先配制好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒，記下量筒內增加一定體積時的滴數
(2)C、F、B、A、E、D
解析　在滴入油酸酒精溶液之前，應將痱子粉或細石膏粉均勻地撒在水面上，這樣可以清楚地看出油酸的輪廓，另外，在實驗過程中，必須記下一滴油酸的體積．
4．4×10－3　8×10－6　填表見解析　符合要求
解析　由題述條件知，1滴溶液的體積
V溶＝ mL＝4×10－3 mL
因為＝，
故1滴溶液中純油酸體積
V油酸＝V溶＝× mL
＝8×10－6 cm3
可以求出3次測得的L結果分別為
L1≈1.5×10－8 cm L2≈1.62×10－8 cm L3≈1.42×10－8 cm
＝≈1.51×10－10 m
與公認值數量級吻合，符合測量要求．
5．(1)球體　單分子　直徑　4.4×10－2
1．2×10－11　2.7×10－10
(2)①水面受下落油滴沖擊，先下陷后又恢復水平，因此膜面積擴張；②溶液中酒精揮發，使液面收縮
解析　油膜面積約占70個小格，面積為
S＝70×25×25×10－6 m2≈4.4×10－2 m2
一滴溶液中純油酸體積為
V＝××10－6 m3＝1.2×10－11 m3
所以，d＝＝ m≈2.7×10－10 m.
6．(1)110　(2)6.8×10－10
(3)這樣做的目的是為了讓油膜在水平面上形成單分子油膜．
解析　(1)求油膜面積時，先數出“整”方格的個數，對剩余小方格的處理方法是：不足半個的舍去，多于半個的記為一個，數一下約有110個；
一個小方格的面積S0＝L2＝1 cm2，
所以面積S＝110×1 cm2＝110 cm2.
(2)一滴純油酸的體積
V＝× mL＝7.5×10－12 m3
油酸分子直徑
d＝＝ m＝6.8×10－10 m
7．(1)痱子粉(或細石膏粉)　(2)2×10－5
(3)4.4×10－10
解析　(1)痱子粉(或細石膏粉)
(2)V純＝·＝× mL＝2×10－5 mL.
(3)V純＝Nl2·d
解得
d＝＝ m≈4.4×10－10 m.

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