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1、高中物理第一輪總復(fù)習(xí)
專題四 用油膜法估測分子的大小
【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?
(1) 用油膜法估測分子的大小。
(2) 加深對分子動理論基本內(nèi)容的理解
(3) 學(xué)會間接測量微觀量的方法
【實(shí)驗(yàn)原理】
O7H33――,另一部分是
V然后把它平攤在桌
(1) 實(shí)驗(yàn)采用使油酸在水面上形成一層單分子油膜的方法估測分子的大小。
(2) 油酸的分子式為 C7H33COOH它的一個分子可以看成由兩部分組成:一部分是
――COOH其中一一OOOH寸水有很強(qiáng)的親和力,當(dāng)把一滴用酒精稀釋過的油酸滴 在水面上時,油酸就在水面上散開,其中的酒精溶于水并很快揮發(fā),在水面上形 成近似圓形的一層純油酸薄膜,
2、其中 C7H33――一部分冒出水面而一一 COOH^分 留在水中,油酸分子直立在水面上,形成一個單分子油膜。
(3) 單分子油膜法粗測分子直徑的原理,類似于取一定量的小米,測出它的體積
S,從而計(jì)算出米粒的直徑。
S 油酸分子
面上,上下不重疊,一粒緊挨一粒,量出這些米粒占據(jù)桌面的面積
(4) 通過測出油滴的體積 V及油滴在液面上形成的單分子油膜面積 運(yùn)用油酸滴入水面前后的總體積相等,測定分子直徑 d = V。
S
【實(shí)驗(yàn)器材】
淺盤、痱子粉、注射器(或滴管)、量筒、坐標(biāo)紙、玻璃紙、水彩筆(或鋼筆) 、事先配制好的油酸酒 精溶液。
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3、
【實(shí)驗(yàn)步驟】
用I
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① 先在淺盤中倒入2?3cm深的水,將痱子粉或石膏粉均勻撒在水面上。
Vo/ 滴。
② 用滴管將酒精油酸溶液逐滴滴入量筒至 1ml,記下滴入的滴數(shù) n,算出一滴油酸溶液的體積
③ 待油酸薄膜形狀穩(wěn)定后,將玻板放在淺盤上,用水彩筆或鋼筆畫出油膜形狀。
④ 將玻璃放在坐標(biāo)紙上,算出油膜面積 S;或通過數(shù)玻璃板上的方格數(shù),算出油膜面積 So
⑤ 根據(jù)溶液濃度,算出一滴溶液中純油酸的體積 Vo
⑥ 用一滴純油酸的體積 V和薄膜面積S,即可計(jì)算出薄膜的
4、厚度 d = V/S o
【注意事項(xiàng)】
(1) 油酸酒精溶液配制后,不要長時間放臵,以免改變濃度,產(chǎn)生誤差。油酸酒精溶液的濃度以小于 I %。 為宜。
(2) 注射器針頭高出水面的高度應(yīng)在 1cm之內(nèi),當(dāng)針頭靠近水面(油酸酒精溶液沒滴下之前 )時,會發(fā)現(xiàn)針 頭下方的痱子粉末層已被排開,這是由于針頭中酒精揮發(fā)所致,不影響實(shí)驗(yàn)效果
(3) 實(shí)驗(yàn)時針管(或滴管)在接近水面 1cm左右滴油酸溶液,并且在液面穩(wěn)定后,畫下液面形狀。
(4) 在玻璃上畫輪廓線時,要待測油酸面擴(kuò)散后又收縮穩(wěn)定后再畫 ,這是因?yàn)椋?
① 水面受油酸酒精溶液液滴擴(kuò)散沖擊后又要恢復(fù);
② 酒精揮發(fā)引起的液面收縮
5、?
(5) 要保證1mL溶液的滴數(shù),準(zhǔn)確無誤;要控制滴液滴時的速度,確保液滴體積穩(wěn)定。
(6) 在計(jì)算面積時,如玻璃板上有直徑 1cm的方格,數(shù)方格數(shù)將不滿半格的舍棄,超過半格的記為一格。
(7) 油酸酒精溶液的液滴要適當(dāng)多一些。
(8) 每次實(shí)驗(yàn)時要讓淺盤中的水穩(wěn)定后再做。
痱子粉不宜撒得過厚,重做實(shí)驗(yàn)時,水要從盤的一側(cè)邊緣倒出,這樣殘留在盤上的油酸量少,容易 清洗干凈。
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【實(shí)驗(yàn)紀(jì)錄】
項(xiàng)目
油酸酒精溶液濃度
1mL溶液的滴數(shù)
一滴油酸酒精溶液
的體積
一滴油酸的體積
油膜面積
數(shù)值
第
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【誤差分析】
1純油酸體積的計(jì)算誤差:
2、油膜面積的測量誤差主要是:
(1) 油膜形狀的畫線誤差
(2) 數(shù)格子法本身是一種估算的方法,自然帶來誤差
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?見證考題?
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【例題精析】
【例題1】(1992上海?三、2)將1cm3的油酸溶于酒精,制成 200cm!的油酸酒精溶液,已知 1cmf溶液有 50滴,現(xiàn)取1滴油酸酒精溶液滴在水上,隨著酒精溶于水,油酸在水面上形成一層單分子薄層,測出這一
2
薄層面積為0.2m,由此可估算出油酸分
7、子的直徑約為 m 。
【解析】每一滴油酸酒精溶液的體積為:V = 50 = 0.02cm3 ; 一滴溶液中含純油酸的體積為:
4 3 10 3 10
V =V 200 ~ 10 cm 10 m ;故油酸分子的直徑為: d = 5 10_ m。
【點(diǎn)撥】純油酸利用酒精稀釋的目的是為了更好地形成單分子油膜, 計(jì)算一滴油酸酒精溶液中含純油酸的
體積是該題的難點(diǎn)。即要找準(zhǔn)兩個比例:一個“稀釋比”和一個“分滴比” 。
n,又
【例題2】在做用油膜法估測分子大小的實(shí)驗(yàn)中,已知實(shí)驗(yàn)室中使用的油酸酒精溶液的體積濃度為
用滴管測得每N滴這種油酸酒精溶液的總體積為
V,,將一滴這種溶液滴在淺盤
8、中的水面上,
在玻璃板上描
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出油膜的邊界線,再把玻璃板放在畫有邊長為
a的正方形小格的紙上(如右圖)測得油膜占有的小正方形個
數(shù)為m。
⑴用以上字母表示油酸分子的大小 d。
⑵從右圖中數(shù)得油膜占有的小正方形個數(shù)為 m = 。
【解析】⑴從題意知道:一滴油酸酒精溶液中純油酸的體積為: V = V n。
N
nV
ma2N
油膜面積為S =ma2
利用圓柱模型
⑵利用數(shù)格子的方法可知 m=5 8
【點(diǎn)撥】(1)計(jì)算一滴油酸酒精溶液中含純油酸的體積是該題的難點(diǎn)。
9、
(2)計(jì)算方格數(shù)時,不足半個格子的舍去,多余半個格子的算一個;方格邊長的單位越小,這種方法求 出的面積越精確。
【例題3】本實(shí)驗(yàn)利用油酸在水面上形成一單分子層的油膜,估測分子大小。實(shí)驗(yàn)步驟如下:
① 將5mL的油酸倒入盛有酒精的玻璃量杯中,蓋上蓋并搖動,使油酸均勻溶解形成油酸酒精溶液,讀出 該溶液的體積為 NmL
② 用滴管將油酸酒精溶液一滴一滴地滴入空量杯中,記下當(dāng)杯中溶液到達(dá) 1mL時的總滴數(shù)n。
③ 在邊長約40cm的淺盤里倒入自來水,深約 2cm,將少許石膏粉均勻地輕輕撒在水面上。
④ 用滴管往盤中水面上滴一滴油酸酒精溶液。由于酒精溶于水而油酸不溶于水,于是該滴中的油酸就
10、在 水面上散開,形成油酸薄膜。
⑤ 將平板玻璃放在淺方盤上,待油酸薄膜形成穩(wěn)定后可認(rèn)為已形成單分子層油酸膜。用彩筆將該單分子 層油酸膜的輪廓畫在玻璃板上。
⑥ 取下玻璃板放在方格子上,量出該單分子層油酸膜的面積 Scm2。
在估算油酸分子大小時,可將分子看成球形。用以上實(shí)驗(yàn)步驟中的數(shù)據(jù)和符號表示,油酸分子的半徑
r= 。
【解析】仔細(xì)分析每一步驟一一
由①得油酸酒精溶液中的油酸濃度為 5 ;
N
1 5
由②得1滴油酸酒精溶液中的油酸含量為 v = 1衛(wèi)ml ;
n N
弄清③④⑤⑥各步驟的意義,得:油酸分子的半徑 r = - =- —cm。
2 2s 2nNs
【點(diǎn)
11、撥】
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【針對訓(xùn)練】
1在粗測油酸分子大小的實(shí)驗(yàn)中,具體操作如下:
① 取油酸1.00mL注入250mL的容量瓶內(nèi),然后向瓶中加入酒精,直到液面達(dá)到 250mL的刻度為止,搖
動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入量筒,記錄滴入的滴數(shù)直到量筒達(dá)到 I.OOmL為止,恰好共滴了 100
滴。
③ 在水盤內(nèi)注入蒸餾水,靜置后滴管吸取油酸的酒精溶液,輕輕地向水面滴一滴溶液,酒精揮發(fā)后, 油酸在水面上盡可能地散開,形成一油膜。
④ 測得此油膜面積為 3.60 x 102cmf。
(1) 這種
12、粗測方法是將每個分子視為 ,讓油酸盡可能地在水面上散開,則形成的油膜面積可視
為 ,這層油膜的厚度可視為油分子的 。
(2) 利用數(shù)據(jù)可求得油酸分子的直徑為 m 。
-6
4.0 x 10 mL,
(1)球形 單分子油膜 直徑 (2) 1.11 x 10「9。
2、用“油膜法”可以估測分子的大小?滴入盛水培養(yǎng)皿中的油酸溶液所含純油酸的體積為 將培養(yǎng)皿水平放在邊長為 1 cm的方格紙上,水面上散開的油膜輪廓如圖所示.該油膜面積為:
S= cm 2,由此可以估算油酸的分子直徑約為
-10
113 、3.6 x 10 ;
3、禾U用油膜法可以粗略測出阿伏伽德羅常數(shù)。把密度
13、p =0.8 x 103kg/m3的某種油,用滴管滴出一滴油在水 面上形成油膜,已知這滴油的體積為 V = 0.3 x 10-3cm3o形成油膜的面積為 S = 0.5m2,油的摩爾質(zhì)量 M =
0.06kg/mol。把油膜看成單分子層,每個分子看成球形,那么:
(1) 油分子的直徑是多少 ?
(2) 由以上數(shù)據(jù)可粗略 測出阿伏伽德羅常數(shù) NA是多少?先列出文字計(jì)算式, 再代入數(shù)據(jù)計(jì)算。(要求兩 位有效數(shù)字)
23
(2) 6.6 x 10 mol
-10
(1) 6x 10 m
4、油酸是一種脂肪酸,它的分子和水分子有很強(qiáng)的 —親和—能力,當(dāng)它浮在水面上形成一層油膜時,薄
14、
膜中只有一層分子,這樣的一層油酸薄膜簡稱 —單分子油膜 。如果油酸分子可以大致看作球形,油
膜的厚度就是分子的直徑。事先測出一滴油酸的體積 V,再測出油膜的面積 S,就可計(jì)算出油膜分子的直
徑d= V/S 。油酸分子直徑的數(shù)量級是 10 -10 m。
5. 用注射器或滴管將老師事先配制好的 溶液一滴一滴地滴入量筒中, 記下量筒內(nèi)增加一定體積 (如
1mL時的滴數(shù),由此計(jì)算出一滴油酸酒精溶液的 ,然后再按油酸酒精溶液的濃度,計(jì)算出一滴溶
液中 的體積V。
6. 在“用油膜法估測分子的大小”的實(shí)驗(yàn)中,測出油酸分子的直徑后,若還要測定阿伏加德羅常數(shù),只需
要再知道( D )
15、A.油滴的質(zhì)量 B.油滴的體積
C.油酸的摩爾質(zhì)量 D.油酸的摩爾體積
能力測試:
1 ?實(shí)驗(yàn)中為什么要待容器中的水穩(wěn)定后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?
2?油酸分子直徑的數(shù)量級在 io-1om有位同學(xué)的測量結(jié)果遠(yuǎn)大于這個數(shù)量級,試分析可能的原因。
3 ?根據(jù)你的體會,試述做好本實(shí)驗(yàn)應(yīng)該注意的幾個問題。 (或影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素)
4?已知酒精油酸溶液的濃度為 1%o, —滴油酸酒精溶液在水中擴(kuò)展的油膜面積約為 186cmf, 1MI油酸
溶液約有66滴。試確定油酸分子的大小。
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高中物理第一輪總復(fù)習(xí)
附:參考資料
“用油膜法估測分子大小”的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)
用油膜法估測分
16、子的大小這一學(xué)生實(shí)驗(yàn),是要讓學(xué)生學(xué)習(xí)一種方法,即用宏觀手段來研究微觀問題, 該實(shí)驗(yàn)具有很強(qiáng)的探索性,因此指導(dǎo)學(xué)生做好這個實(shí)驗(yàn)是十分有意義的。要做好這個實(shí)驗(yàn),需注意以下三 個主要問題。
一、 濃度配制
教材中要求老師事先配制好一定濃度的酒精油酸溶液,并無明確指明要配多大的濃度、而這一濃度大 小的選擇正是這個實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。通過多次試驗(yàn),我們認(rèn)為濃度選取 1 %。較合適。配制濃度為 I %。的油
酸溶液可經(jīng)兩次配制。第一次配制,在 100ml量筒中準(zhǔn)確地放人 96ml無水乙醇,再用 5ml量簡量入4ml
油酸,充分?jǐn)嚢韬螅玫?4%濃度的油酸溶液。第二次配制,取 97. 5ml的無水乙醇放
17、入另一個 100ml量
筒中,用5ml量筒準(zhǔn)確量入第一次配好的濃度為 4%的油酸溶液2. 5ml,充分?jǐn)嚢瑁愕玫絀 %。的油酸溶
液。
通過兩次配制,既可減小取液時的相對誤差,又可用盡量少的液體配出。較準(zhǔn)確濃度的溶液。在配制 過程中應(yīng)注意,(1)小量簡量取的溶質(zhì)要全部放入溶液;( 2)充分?jǐn)嚢?;?)油酸溶液配制后不要長
時間放置,以免酒精揮發(fā)改變濃度。
二、 粉的厚度
實(shí)驗(yàn)中痱子粉的作用是界定油膜大小的邊界,痱子粉過厚,油膜不易擴(kuò)散,使水面的痱子粉開裂,痱 子粉太少,油膜邊界不清。教材中要求學(xué)生將痱子粉均勻地撒在水面上,如何“撒”.這是關(guān)鍵,為了讓 學(xué)生撒好痱子粉,可先將痱子粉
18、裝入小布袋中,然后拿一細(xì)木棒在水面上方輕敲布袋,即可得到均勻的、 很薄的一層痱子粉。具體撒多薄的痱子粉,教師要事先試驗(yàn)?心中有數(shù),并指導(dǎo)學(xué)生操作。
三、 點(diǎn)的滴法
實(shí)驗(yàn)時,把配好的濃度為 1%o的油酸溶液約(3ml?5ml)分到5ml量筒中,發(fā)給各小組,讓學(xué)生用液 管抽取溶液,一滴一滴地滴入小量筒, 訓(xùn)練準(zhǔn)確、均勻地滴點(diǎn)。在練習(xí)之前,教師應(yīng)示范滴管的拿取姿勢,
用左手食指、中指挾住滴管的中部. 右手拇指和食指攝住滴管的膠頭, 兩手掌靠攏。形成一個穩(wěn)定的姿勢,
再把兩肘支在桌上,這樣可保證滴出每滴溶液時所用的力始終不變,數(shù)出的滴數(shù)誤差就會減小。學(xué)生按上 述方法操作,記下小量筒內(nèi)增加一定體
19、積(例如 Iml )時的滴數(shù)。接下來把一滴油酸溶液滴入撒好痱子粉
的水面中央,這滴油酸溶液立刻伸展為一個 80cm2, 140cm2左右的以痱子粉為邊界的近圓形油膜,邊緣是
鋸齒形,當(dāng)油膜中的無水乙醇揮發(fā)、溶解后.油膜便自動收縮為 60cni- 120cm2的近圓形油膜。淺盤上蓋
好玻璃,用彩筆描出油膜邊界,用坐標(biāo)紙量出油膜面積。
注意了以上三個問題后,這個實(shí)驗(yàn)就不難成功了,實(shí)驗(yàn)過程中,另外注意淺盤選深度為 5cm左右的圓
盤,口徑選40cm以上,底色用棕、黑等深色,痱子粉應(yīng)保證干燥,淺盤中的水應(yīng)提前放置(靜置) 10小
時以上,滴管往淺盤水面上滴油酸溶液時,滴管口距下面的高度應(yīng)在 1cm之內(nèi),當(dāng)重做實(shí)驗(yàn)時,應(yīng)用大量
清水把錢盤及量筒、滴管洗凈,有條件的學(xué)校如用熱水清洗或酒清擦試后再沖洗效果更佳。
總之,只要教師精心準(zhǔn)備,對學(xué)生認(rèn)真指導(dǎo),則可觀察到應(yīng)有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,一定會得到與油酸分子公 認(rèn)值1. 12 X 10-9很接近的測量估算值。
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