高考物理实验特训13用油膜法估测分子的大小

实验十三：用油膜法估测分子的大小一、实验目的1．估测油酸分子的大小。2．学会间接测量微观量的原理和方法。二、实验原理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．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，在水面上形成如图1所示形状的一层纯油酸薄膜．如果算出一定体积的油酸在水面上形成的单分子油膜的面积，即可算出油酸分子的大小．用V表示一滴油酸酒精溶液中所含油酸的体积，用S表示单分子油膜的面积，用d表示分子的直径，如图2所示，则：d＝.　　　　　　图1　　　　　　　　　图2三、实验器材清水、盛水浅盘、滴管(或注射器)、试剂瓶、坐标纸、玻璃板、痱子粉(或石膏粉)、油酸酒精溶液、量筒、彩笔。四、实验步骤1．用稀酒精溶液及清水清洗浅盘，充分洗去油污、粉尘，以免给实验带来误差．2．配制油酸酒精溶液，取油酸1mL，注入500mL的容量瓶中，然后向容量瓶内注入酒精，直到液面达到500mL刻度线为止，摇动容量瓶，使油酸充分在酒精中溶解，这样就得到了500mL含1mL纯油酸的油酸酒精溶液．3．用注射器或滴管将油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，并记下量筒内增加一定体积Vn时的滴数n.4．根据V0＝算出每滴油酸酒精溶液的体积V0.5．向浅盘里倒入约2cm深的水，并将痱子粉或石膏粉均匀地撒在水面上．7\n6．用注射器或滴管将一滴油酸酒精溶液滴在水面上．7．待油酸薄膜的形状稳定后，将玻璃板(或有机玻璃板)放在浅盘上，并将油酸膜的形状用彩笔画在玻璃板上．8．将画有油酸薄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的正方形为单位计算轮廓内正方形的个数，不足半个的舍去，多于半个的算一个)．9．根据油酸酒精溶液的配制比例，算出一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V，并代入公式d＝算出油酸薄膜的厚度d.10．重复以上实验步骤多测几次油酸薄膜厚度，并求平均值，即为油酸分子的大小．五、数据处理根据上面记录的数据，完成以下表格内容.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分子的大小(m)平均值12六、注意事项1．注射器针头高出水面的高度应在1cm之内，当针头靠水面很近(油酸未滴下之前)时，会发现针头下方的粉层已被排开，这是由于针头中酒精挥发所致，不影响实验效果．2．待测油膜面扩散后又收缩，要在油膜面稳定后再画轮廓．扩散后又收缩有两个原因：第一，水面受油酸液滴冲击凹陷后又恢复；第二，酒精挥发后液面收缩．3．当重做实验时，将水从盘的一侧边缘倒出，在这侧边缘会残留油酸，可用少量酒精清洗，并用脱脂棉擦去再用清水冲洗，这样做可保持盘的清洁．4．从盘的中央加痱子粉，使粉自动扩散至均匀，这样做，比将粉撒在水面上的效果好．因为：一，加粉后水的表面张力系数变小，水将粉粒拉开；二，粉粒之间相互排斥．考点一　实验原理与操作[典例1]　在“油膜法估测油酸分子的大小”实验中，有下列实验步骤：①往边长约为40cm的浅盘里倒入约27\ncm深的水，待水面稳定后将适量的痱子粉均匀地撒在水面上。②用注射器将事先配好的油酸酒精溶液滴一滴在水面上，待薄膜形状稳定。③将画有油膜形状的玻璃板平放在坐标纸上，计算出油膜的面积，根据油酸的体积和面积计算出油酸分子直径的大小。④用注射器将事先配好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，记下量筒内每增加一定体积时的滴数，由此计算出一滴油酸酒精溶液的体积。⑤将玻璃板放在浅盘上，然后将油膜的形状用彩笔描绘在玻璃板上。完成下列填空：(1)上述步骤中，正确的顺序是________。(填写步骤前面的数字)(2)将1cm3的油酸溶于酒精，制成300cm3的油酸酒精溶液；测得1cm3的油酸酒精溶液有50滴。现取一滴该油酸酒精溶液滴在水面上，测得所形成的油膜的面积是0.13m2。由此估算出油酸分子的直径为________m。(结果保留1位有效数字)[解析]　(1)根据实验原理易知操作步骤正确的顺序为④①②⑤③；(2)根据实验原理可知油酸分子直径为d＝＝m≈5×10－10m。[答案]　(1)④①②⑤③　(2)5×10－10考点二　数据处理与误差分析[典例2]　油酸酒精溶液的浓度为每1000mL油酸酒精溶液中有油酸0.6mL，现用滴管向量筒内滴加50滴上述溶液，量筒中的溶液体积增加了1mL，若把一滴这样的油酸酒精溶液滴入足够大盛水的浅盘中，由于酒精溶于水，油酸在水面展开，稳定后形成的油膜的形状如图实121所示。若每一小方格的边长为25mm，试问：图实121(1)这种估测方法是将每个油酸分子视为________模型，让油酸尽可能地在水面上散开，则形成的油膜可视为_______油膜，这层油膜的厚度可视为油酸分子的________。图中油酸膜的面积为________m2；每一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸体积是______m3；根据上述数据，估测出油酸分子的直径是______m。(结果保留两位有效数字)(2)某同学在实验过程中，在距水面约2cm的位置将一滴油酸酒精溶液滴入水面形成油膜，实验时观察到，油膜的面积会先扩张后又收缩了一些，这是为什么呢？请写出你分析的原因：_____________________________________________________________________________________________________________________________。7\n[解析]　油膜面积约占70小格，面积约为S＝70×25×25×10－6m2≈4.4×10－2m2，一滴油酸酒精溶液含有纯油酸的体积为V＝××10－6m3＝1.2×10－11m3，油酸分子的直径约等于油膜的厚度d＝＝m≈2.7×10－10m。[答案]　(1)球体　单分子　直径　4.4×10－2　1.2×10－11　2.7×10－10　(2)主要有两个原因：①水面受到落下油滴的冲击，先陷下后又恢复水平，因此油膜的面积扩张；②油酸酒精溶液中的酒精挥发，使液面收缩[方法规律]解决“用油膜法估测分子的大小”实验问题的关键是要理解分子模型，也就是理解油酸分子在水面上形成的薄膜的厚度即分子直径。数油膜面积对应的格子数时，完整的算一个，不完整的大于等于半格的算一个，不到半格的舍去。1．利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45cm×50cm的浅盘、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C.A．用滴管将浓度为0.05%的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NB．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nC.________________________________________________________________________.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)用已知的和测得的物理量表示单个油酸分子的大小__________(单位：cm)．【答案】(1)见解析　(2)【解析】(1)待油酸薄膜形状稳定后，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mL，向浅盘中共滴入油酸的体积V＝cm37\n，所以单个油酸分子的直径为D＝＝.2．在做“用油膜法估测分子大小”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．坐标纸中正方形方格的边长为20mm.求：图4(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】(1)2.2×10－2m2　(2)1.2×10－11m3　(3)5.5×10－10m【解析】(1)小方格个数n＝55每个小方格面积S0＝L2则油膜的面积S＝n·S0＝55×(2×10－2)2m2＝2.2×10－2m2.(2)由于104mL溶液中有纯油酸6mL，则1mL溶液中有纯油酸mL＝6×10－4mL.而1mL上述溶液有50滴，故1滴溶液中含有纯油酸的体积为V＝mL＝1.2×10－5mL＝1.2×10－11m3.(3)由D＝知油酸分子的直径D＝m＝5.5×10－10m.3．用油膜法测定分子大小的实验中，体积为V的油滴，在水面上形成了近似圆形的单分子油膜，油膜直径为d，则单个油膜分子的直径约为(　　)A.B．C．D．【答案】A7\n【解析】油膜面积S＝π()2＝，故单个油膜的分子直径为D＝＝，选项A正确．4．“用油膜法估测分子的大小”实验的简要步骤如下：A．将画有油膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，数出轮廓内的方格数(不足半个的舍去，多于半个的算一个)，再根据方格的边长求出油膜的面积S；B．将一滴油酸酒精溶液滴在水面上，待油酸薄膜的形状稳定后，将玻璃板放在浅盘上，用彩笔将薄膜的形状描绘在玻璃板上；C．用浅盘装入约2cm深的水；D．用公式D＝，求出薄膜厚度，即油酸分子的大小；E．根据油酸酒精溶液的浓度，算出一滴溶液中纯油酸的体积V.上述步骤中有遗漏或不完全的，请指出：(1)________________________________________________________________________．(2)________________________________________________________________________．【答案】(1)在步骤C中，要在水面上洒上痱子粉或石膏粉．(2)实验时，还需要F：用注射器或滴管将溶液一滴一滴地滴入量筒，记下滴入1mL溶液时的滴数．5．在用油膜法估测分子大小的实验中，已知配制的油酸溶液中，纯油酸与溶液体积之比为1∶500，1mL该溶液能滴250滴，那么一滴该溶液的体积是________mL，所以一滴溶液中所含的油酸体积为________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作比较，并判断此实验是否符合数量级的要求.次数S/cm2L＝/cmL的平均值1533①④2493②3563③【答案】4×10－3　8×10－6　①1.50×10－8cm　②1.62×10－8cm　③1.42×10－8cm　④1.51×10－10m　符合数量级要求【解析】由题给条件得，一滴溶液的体积V＝mL＝4×10－3mL由题意可知：一滴溶液中所含的油酸体积为：×cm3＝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，其平均值＝7\n＝1.51×10－8cm＝1.51×10－10m，这与公认值的数量级相吻合，故此实验符合数量级的要求．7