高中物理教科版选修3-3学案　实验：用油膜法估测分子的大小 Word版含答案

第4节　实验：用油膜法估测分子的大小
/夯实基础
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：用累积法测出油滴的体积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＝.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10－10 m.
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成球形，油膜的厚度就是分子的直径，如图所示．
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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1 mL的油酸滴入酒精中配制成500 mL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1 mL)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30～40 cm的浅盘里倒入约2 cm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1 cm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＝，即油酸分子的大小．
五、数据处理
根据上面记录的数据，完成以下表格.
实验次数
量筒内增加1 mL
溶液时的滴数
轮廓内的小格子数
轮廓面积S
1
2
实验次数
一滴纯油酸
的体积V
分子的直径(m)
平均值
1
2
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＝.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1 mL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1 cm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．
例1(1)在做“用油膜法估测分子的大小”实验时，已经准备的器材有：油酸酒精溶液、滴管、玻璃板、彩笔、浅盘和水，要完成本实验，还欠缺的器材有____________________．
(2)在用油膜法粗测分子直径的实验中，在哪些方面做了理想化的假设：________________________________________________________________________；实验中滴在水面的是酒精油酸溶液而不是纯油酸，这是因为______________________________________________；在将酒精油酸溶液滴向水面前，要先在水面上均匀撒些痱子粉，这样做是为了______________________．
(3)下面4个图反映“用油膜法估测分子的大小”实验中的4个步骤，将它们按操作先后顺序排列应是____________(用符号表示)．
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(4)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酒精油酸溶液的体积浓度为A，又用滴管测得N滴这种酒精油酸的总体积为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(如图所示)测得油膜占有的小正方形个数为X.
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①用以上字母表示油酸分子的大小d＝__________．
②从图中数得油膜占有的小正方形个数为X＝________．
【解析】根据实验要求，所缺的器材为量筒、痱子粉、坐标纸；在用油膜法粗测分子直径的实验中，一般将油膜看成单分子膜，将油酸分子简化为球形，这样容易估算出分子直径；计算格数时，不足半格的舍去，多于半格的算一个．方格边长的单位越小，求出的面积越精确．一滴纯油酸的体积为，这滴油酸在水面上散开的面积为Xa2，则d＝＝.
【答案】(1)量筒、痱子粉、坐标纸
(2)将油膜看成单分子膜，将油酸分子简化为球形，认为油酸分子是一个紧挨一个的　纯油酸黏滞力较大，直接测量体积时误差太大　界定油膜大小的边界
(3)d、a、c、b
(4)①　②57
/针对训练　
1．某同学在做“用油膜法估测分子的大小”实验时，每5 000 mL油酸酒精溶液中有纯油酸3 mL.用注射器测得100滴油酸酒精溶液为1 mL.将1滴溶液滴入盛水的浅盘里，把玻璃板盖在浅盘上并描绘出油酸膜的轮廓如图所示，正方形小方格的边长为1 cm.
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(1)1滴这样的溶液中含有纯油酸__6×10－6__ mL.由此估算出油酸分子的直径为__5×10－10__ m．(结果均保留一位有效数字)
(2)做完实验后，发现自己所测的分子直径d明显偏大．出现这种情况的原因可能是__AB__．
A．将滴入的油酸酒精溶液体积作为油酸体积进行计算
B．水面上痱子粉撒得太多，油膜没有充分展开
C．油酸酒精溶液长时间放置，酒精挥发使溶液的浓度发生了变化
D．计算油膜面积时，将不完整的方格作为完整方格处理
【解析】(1)1 mL油酸酒精溶液中有纯油酸 mL，而100滴油酸溶液的体积为1 mL，故1滴这样的溶液中含有纯油酸 mL＝6×10－6 mL，面积超过正方形一半的正方形的个数为120个，故油膜的面积S＝120 cm2＝1.2×10－2 m2，油酸分子的直径d＝＝＝5×10－10 m.
(2)根据d＝，则错误地将油酸酒精溶液的体积直接作为油酸的体积进行计算，则计算时所用体积数值偏大，会导致计算结果偏大，A正确；水面上痱子粉撒得较多，油膜没有充分展开，则测量的面积S偏小，导致结果计算偏大，B正确；油酸酒精溶液长时间放置，酒精挥发使溶液的浓度变大，则会导致计算结果偏小，C错误；计算油膜面积时，将不完整的方格作为完整方格处理，则计算所用的面积S偏大，会导致计算结果偏小，D错误．
/考 点 集 训　
1．关于“油膜法估测油酸分子的大小”实验：
(1)“用油膜法估测油酸分子的大小”实验的科学依据是__ABD__.
A．将油膜看成是单层油酸分子铺成的
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
(2)下述步骤中，正确的顺序是__④①②⑤③__．(填写步骤前面的数字)
①往边长约为40 cm的浅盘里倒入约2 cm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．
(3)将1 cm3的油酸溶于酒精，制成300 cm3的油酸酒精溶液；测得1 cm3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0.13 m2.由此估算出油酸分子的直径为__5×10－10__ m．(结果保留1位有效数字)
【解析】(1)在“用油膜法估测分子的大小”实验中，实验的基本原理是：①让油膜尽可能散开，形成单分子层；②把油酸分子看成球形；③不考虑分子之间空隙，故A、B、D正确，C错误．
(2)“油膜法估测油酸分子的大小”实验步骤为：配制酒精油酸溶液(教师完成，记下配制比例)→测定一滴酒精油酸溶液的体积V0＝(题中的④)→准备浅水盘(①)→形成油膜(②)→描绘油膜边缘(⑤)→测量油膜面积(③)→计算分子直径(③)，故正确的顺序是④①②⑤③.
(3)计算步骤：先计算一滴油酸酒精溶液中油酸的体积，V0＝× m3，则分子直径为：D＝＝ m＝5×10－10 m.
2．在“用油膜法估测分子的大小”实验中，用a mL的纯油酸配制成b mL的油酸酒精溶液，再用胶头滴管取1 mL油酸酒精溶液，让其自然滴出，共能滴出n滴．现在让其中一滴落到盛水的浅盘内，待油膜充分展开后，测得油膜的面积为S cm2.这种估测方法是将每个油酸分子视为__球体__模型，可估算出单个油酸分子的直径大小是____ cm；测出油酸分子的直径后，若要测定阿伏加德罗常数，还需要知道油酸的__摩尔体积__(填“摩尔质量”或“摩尔体积”)．
【解析】“用油膜法估测分子的大小”实验中，估测方法是将每个油酸分子视为球体模型；据题意得：油酸酒精溶液的浓度为，一滴酸酒精溶液的体积为 mL，一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积为V＝·＝ mL，则油酸分子的直径为d＝＝ cm；设一个油酸分子的体积为V1，则V1＝πd3；由NA＝，可知要测定阿伏加德罗常数，还需要知道油滴的摩尔体积．
3．在做“用油膜法估测分子的大小”实验中，已知实验室中使用的油酸酒精溶液的浓度为A，N滴溶液的总体积为V.在浅盘中的水面上均匀撒上痱子粉，将一滴溶液滴在水面上，待油膜稳定后，在带有正方形小格的玻璃板上描出油膜的轮廓(如图所示)，测得油膜的面积为S.
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(1)用以上字母表示油酸分子直径为____．
(2)如果已知这种油酸的密度为ρ，摩尔质量为M，则阿伏加德罗常数的表达式为____．
【解析】(1)已知实验室中使用的油酸酒精溶液的浓度为A，N滴溶液的总体积为V，则油酸的体积为AV，那么一滴油酸的体积为，所以一滴油酸分子的直径为.
(2)油酸的摩尔体积为，一个油酸分子的体积为π()3，所以阿伏加德罗常数的表达式为NA＝＝
4．“用油膜法估测分子的大小”实验的方法及步骤如下：
①向体积V油＝1 mL的油酸中加酒精，直至总量达到V总＝500 mL；
②用注射器吸取①中配制好的油酸酒精溶液，把它一滴一滴地滴入小量筒中，当滴入n＝100滴时，测得其体积恰好是V0＝1 mL；
③先往边长为30 cm～40 cm的浅盘里倒入2 cm深的水，然后将__________均匀地撒在水面上；
④用注射器往水面上滴一滴油酸酒精溶液，待油酸薄膜形状稳定后，将事先准备好的玻璃板放在浅盘上，并在玻璃板上描下油酸膜的形状；
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⑤将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，如图所示，数出轮廓范围内小方格的个数N，小方格的边长l＝20 mm.
根据以上信息，回答下列问题：
(1)步骤③中应填写：__痱子粉或石膏粉__；
(2)1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V′是__2×10－5__mL；
(3)油酸分子直径是__4.3×10－10__m.
【解析】(1)为了显示水分子油膜的形状，需要在水面上撒痱子粉或石膏粉．
(2)1滴酒精油酸溶液中纯油酸的体积V′＝＝× mL＝2×10－5 mL
(3)根据大于半个方格的算一个，小于半个方格的舍去，油膜形状占据的方格数大约为115个，故面积S＝115×20×20 mm2＝4.6×104 mm2，油酸分子直径d＝＝ mm＝4.3×10－10 m.
5．油酸酒精溶液的浓度为每1 000 mL油酸酒精溶液中含有油酸0.6 mL，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1 mL，若把一滴这样的油酸酒精溶液滴入足够大的盛水的浅盘中，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所示．若每一小方格的边长为25 mm，试问：
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这种估测方法是将每个油酸分子视为__球体__模型，让油酸尽可能地在水面上散开，则形成的油膜可视为__单分子__油膜，这层油膜的厚度可视为油酸分子的__直径__．图中油酸膜的面积为__4.4×10－2__m2；每一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是__1.2×10－11__ m3；根据上述数据，估测出油酸分子的直径是__2.7×10－10__ m．(结果保留两位有效数字)
【解析】这种估测方法是将每个分子视为球体模型，让油酸尽可能地在水面上散开，则形成的油膜可视为单分子油膜，这层油膜的厚度可视为油分子的直径；油膜的面积可从方格纸上得到，所围成的方格中，面积超过一半按一半算，小于一半的舍去，图中共有70个方格，故油膜面积为：S＝70×25 mm×25 mm＝43 750 mm2＝4.4×10－2 m2；每一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸体积是：V＝×10－6× m3＝1.2×10－11 m3；油酸分子的直径：d＝＝ m≈2.7×10－10 m.
6．在“用油膜法估测分子的大小”的实验中．
若油酸酒精溶液体积浓度为0.12%，一滴该溶液的体积为5.2×10－3 mL，测得其形成的油膜的面积是48 cm2，则估算出油酸分子直径的数量级为__10－9__ m.
【解析】一滴溶液中纯油酸的体积V＝5.2×10－3 mL×0.12%＝6.2×10－6 mL＝6.2×10－12 m3；油酸分子的直为：d＝＝ m≈1.3×10－9 m.
7．“用油膜法估测分子的大小”实验的简要步骤如下：
A．取一定量的无水酒精和油酸，制成一定浓度的油酸酒精溶液
B．在量筒中滴入一滴该溶液，测出它的体积
C．用浅盘装入约2 cm深的水，将一滴油酸酒精溶液滴在水面上，待油酸薄膜的形状稳定
D．将玻璃板放在浅盘上，用彩笔将薄膜的形状描画在玻璃板上，将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，数出轮廓内的方格数(不足半格的舍去，多于半格的算一个)，再根据方格的边长求出油酸膜的面积S
F．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
G．用公式D＝，求出薄膜厚度，即油酸分子直径的大小
(1)上述步骤中有步骤遗漏或不完整的，请指出并在下面横线中补充完整(请说出两处)
①__应该在量筒中滴入n滴溶液，测出它的体积V0，然后来计算一滴油酸酒精溶液的体积V1，则一滴该溶液的体积为V1＝__；
②__为了使一滴油酸酒精溶液散开后界面比较清晰，要在水面上先撒上痱子粉__．
(2)某同学实验中最终得到的分子直径的计算结果和大多数同学的比较，数据偏大，对出现这种结果的原因，下列说法中可能正确的有__ACD__．
A．错误地将油酸酒精溶液的体积直接作为油酸的体积进行计算
B．计算油酸膜面积时，错将不完整的方格作为完整方格处理
C．计算油酸薄膜面积时，只数了完整的方格数
D．水面上痱子粉撒得太厚，油酸膜没有充分展开
(3)某实验小组用1 mL的油酸配置了500 mL的油酸酒精溶液，用滴管、量筒测得n滴油酸酒精溶液体积为V0，一滴溶液在水槽中最终形成油膜面积为S，则油酸分子直径为____.
【解析】(1)①应该在量筒中滴入n滴溶液，测出它的体积V0，然后来计算一滴油酸酒精溶液的体积V1，则一滴该溶液的体积为V1＝；②为了使一滴油酸酒精溶液散开后界面比较清晰，要在水面上先撒上痱子粉；
(2)错误地将油酸酒精溶液的体积直接作为油酸的体积进行计算，V偏大，造成分子直径的测量值偏大，故A正确；计算油膜面积时，错将不完整的方格作为完整方格处理，则油膜的面积偏大，造成分子直径的测量值偏小，故B错误；计算油膜面积时，只数了完整的方格数，则油膜的面积偏小，造成分子直径的测量值偏大，故C正确；水面上痱子粉撒得较多，油膜没有充分展开，则油膜的面积偏小，造成分子直径的测量值偏大，故D正确．故选ACD.
(3)1滴酒精油酸溶液内含纯油酸的体积为：V1＝·
所以油酸分子直径为：d＝＝.