2024年高考物理复习第一轮：创新实验课(19)　用油膜法估测油酸分子的大小

实验基础知识

一、实验基本技能

1．实验目的

用油膜法估测油酸分子的大小．

2．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(油酸分子简化成球形)．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，其中的酒精溶于水中并很快挥发，在水面上形成一层纯油酸薄膜，如图所示．

实验中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S，即可算出油酸分子的大小，直径d＝.

3．实验器材

清水、酒精、油酸、量筒、浅盘(边长约30～40 cm)、注射器(或滴管)、玻璃板(或有机玻璃板)、彩笔、爽身粉(石膏粉)、坐标纸、容量瓶(500 mL)．

4．实验过程

(1)往边长约为30～40 cm的浅盘里倒入约2 cm深的水，然后将爽身粉或石膏粉均匀地撒在水面上．

(2)用注射器或滴管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1 mL时的滴数．

(3)用注射器或滴管将事先配制好的酒精油酸溶液滴在水面上一滴，油酸就在水面上散开，其中的酒精溶于水中，并很快挥发，在水面上形成如图所示形状的一层纯油酸薄膜．

水面上单分子油膜的示意图

(4)待油酸薄膜的形状稳定后，将事先准备好的有机玻璃板放在浅盘上，然后将油酸薄膜的形状用彩笔画在玻璃上．

(5)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，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.

(7)根据一滴油酸的体积V和薄膜的面积S，即可算出油酸薄膜的厚度，即油酸分子的大小．

二、规律方法总结

1．数据处理

在实验中，由d＝计算分子的直径，“V”是经过换算后一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积．各物理量的计算方法如下：

(1)一滴油酸酒精溶液的体积

V′＝.

(2)一滴油酸酒精溶液中纯油酸所占体积

.

(3)油酸薄层的面积S＝na2(n为有效格数，a为小格的边长)．

(4)分子直径d＝.

(5)注意单位的统一和有效数字的保留．

2．误差分析

(1)油酸酒精溶液的实际浓度和理论值间存在偏差．

(2)一滴油酸酒精溶液的实际体积和理论值间存在偏差．

(3)油酸在水面上的实际分布情况和理想中的“均匀”“单分子纯油酸层”间存在偏差．

(4)采用“互补法”(即不足半个舍去，大于半个的算一个)计算获得的油膜面积与实际的油膜面积间存在偏差．

3．注意事项

(1)在水面上撒爽身粉时，注意不要触动浅盘中的水．

(2)在有机玻璃板上描绘轮廓时动作轻而迅速，眼睛视线要始终与玻璃垂直．

(3)油酸酒精溶液配制后不要长时间放置，以免改变浓度，产生误差．

(4)注射器针头高出水面的高度应在1 cm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，是由针头中酒精挥发所致，不影响实验效果．

(5)待测油酸面扩散后又收缩，要在稳定后再画轮廓．扩散后又收缩，有两个原因：第一，水面受油酸滴冲击凹陷后又恢复；第二，酒精挥发后液面收缩．

(6)当重做实验时，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，这样可保持盘的清洁．

(7)从盘的中央加爽身粉，使粉自动扩散至均匀，这是由于以下两种因素所致：第一，加粉后水的表面张力系数变小，水将粉粒拉开；第二，粉粒之间的排斥，这样做比粉撒在水面上的实验效果好．

(8)本实验只要求估算油酸分子的大小，实验结果数量级符合要求即可．

命题点一　实验原理与操作

　在“用油膜法估测分子的直径”实验中，

(1)(多选)该实验中的理想化假设是________．

A．将油膜看成单分子层油膜

B．不考虑各油分子间的间隙

C．不考虑各油分子间的相互作用力

D．将油分子看成球形

(2)实验中使用到油酸酒精溶液，其中酒精溶液的作用是________．

A．可使油酸和爽身粉之间形成清晰的边界轮廓

B．对油酸溶液起到稀释作用

C．有助于测量一滴油酸的体积

D．有助于油酸的颜色更透明便于识别

(3)某老师为本实验配制油酸酒精溶液，实验室配备的器材有：面积为0.22 m2的蒸发皿，滴管，量筒(50滴溶液滴入量简体积约为1毫升)，纯油酸和无水酒精若干等．已知分子直径数量级为10－10 m，则该老师配制的油酸酒精溶液浓度(油酸与油酸酒精溶液的体积比)至多为________‰.(保留两位有效数字)．

解析：(1)在“用油膜法估测分子的大小”实验中，我们的实验依据是：①油膜是呈单分子分布的；②把油酸分子看成球形；③分子之间没有空隙．由此可知C错误．A、B、D正确．

(2)如果油酸不加稀释形成的油膜面积很大，不便于测量，油酸可以溶于酒精，因此酒精溶液的作用是对油酸溶液起到稀释作用，故A、C、D错误，B正确．

(3)根据题意可知，形成的油膜的面积不能超过蒸发皿的面积，当油膜面积等于蒸发皿的面积时此时油酸浓度最大．一滴油酸酒精溶液中油酸的体积为：

V＝dS＝10－10 m×0.22 m2＝2.2×10－11 m3

一滴油酸酒精溶液的体积为：

V0＝ cm3＝2×10－8 m3

因此油酸的浓度为：＝1.1‰，故答案为：1.1

答案：(1)ABD　(2)B　(3)1.1

[对点演练]

1．“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画在玻璃板上．

C．用浅盘装入约2 cm深的水．

D．用公式d＝求出薄膜厚度，即油酸分子直径的大小．

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.

(1)上述步骤中有步骤遗漏或步骤不完全，请指出：

①________________________________________________________________________；

②________________________________________________________________________.

(2)上述实验步骤的合理顺序是________．

解析：(1)①C步骤中，要在水面上均匀地撒上细石膏粉或爽身粉．

②实验中，要有步骤F：用注射器或滴管将事先配制好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒，记下量筒内增加一定体积时的滴数．

(2)合理顺序为CFBAED.

答案：(1)见解析　(2)CFBAED

命题点二　数据处理与误差分析

　油酸酒精溶液的浓度为每1000 mL油酸酒精溶液中有油酸0.5 mL，用滴管向量筒内滴50滴上述溶液，量筒中的溶液体积增加1 mL.若把一滴这样的溶液滴入盛水的浅盘中，由于酒精溶于水，油酸在水面展开，稳定后形成单分子油膜的形状如图所示．(以下计算结果均保留2位有效数字)

(1)若每一小方格的边长为10 mm，则油酸薄膜的面积为________m2.

(2)每一滴油酸酒精溶液含有纯油酸的体积为：________m3.

(3)根据上述数据，估算出油酸分子的直径为________m.

(4)(多选)为了尽可能准确地估测出油膜分子的大小，下列哪些措施是可行的________．

A．油酸浓度适当大一些

B．油酸浓度适当小一些

C．油酸扩散后立即绘出轮廓图

D．油酸扩散并待其收缩稳定后再绘出轮廓图

解析：(1)每个正方形的面积为S1＝(10 mm)2＝1×10－4 m2

面积超过正方形面积一半的正方形的个数为80个，则油酸膜的面积约为S＝80S1＝80×10－4 m2＝8.0×10－3 m2.

(2)每滴酒精油酸溶液中含有纯油酸的体积：

V＝ mL＝1.0×10－11 m3.

(3)把油酸分子看成球形，且不考虑分子间的空隙，则分子的直径为：

d＝＝ m≈1.3×10－9 m.

(4)为能形成单分子油膜，油膜浓度应适当小些；绘制轮廓图应在油酸扩散稳定后进行，B、D选项正确，A、C错误．

答案：(1)8.0×10－3(7.8×10－3～8.5×10－3均可)

(2)1.0×10－11　(3)1.2×10－9或1.3×10－9　(4)BD

[对点演练]

2．在“用油膜法估测油酸分子的大小”的实验中，有下列实验步骤：

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爽身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________m．(结果保留一位有效数字)

解析：(1)依据实验顺序，首先配置混合溶液，然后在浅盘中放水和爽身粉，将一滴溶液滴入浅盘中，将玻璃板放在浅盘上获取油膜形状，最后用已知边长的坐标纸上的油膜形状来计算油膜的总面积，故正确的操作顺序为④①②⑤③.

(2)一滴油酸酒精溶液的体积为V＝＝Sd，其中S＝0.13 m2，故油酸分子直径

d＝＝＝5×10－10 m.

答案：(1)④①②⑤③　(2)5×10－10