最新高考物理一轮突破实验十七 用油膜法估测油酸分子的大小

实验十七　用油膜法估测油酸分子的大小

【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,然后将痱子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油酸酒精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。

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.将画有油酸薄膜轮廊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。

【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)一滴油酸溶液的体积

V'=。

(2)一滴油酸溶液中纯油酸所占体积

体积V=V'×。

(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。

【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”(即不足半个的舍去, 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。

【注意事项】

1.在水面上撒石膏粉时,注意不要触动浅盘中的水。

2.在有机玻璃板上描绘轮廊时动作轻而迅速,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.从盘的中央加痱子粉,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,不将粉粒拉开;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.本实验只要求估算分子大小,实验结果数量级符合要求即可。

【实验创新】

利用油膜法测分子直径的实验原理是在水面上形成一层油酸薄膜,测出油膜的厚度,就是油酸分子的直径。本实验的创新角度有两个。

视角一:不改变实验装置,油膜法测分子直径不仅可以测量油酸分子的直径,还可以测量其他液体分子的直径。

视角二:不改变实验装置,改变实验考查的能力。做实验的过程不仅练习学生的实验操作技能,同时通过数据分析来提高学生对结果的分析、判断能力。

教材原型实验

【典例1】(2021·兰州模拟)实验所用油酸酒精溶液的浓度为每104 mL溶液中含有纯油酸6 mL,用注射器测得1 mL 上述溶液为80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,用笔在玻璃板上描出油膜的轮廓形状,再把玻璃板放在坐标纸上,其形状和尺寸如图所示,坐标中正方形方格的边长为1 cm。

(1)油膜的面积是　　　　　cm2; 

(2)按以上实验数据估测油酸分子的直径为　　　　m(保留两位有效数字); 

(3)利用单分子油膜法可以粗测分子的大小和阿伏加德罗常数。如果已知体积为V的一滴油酸在水面上散开形成的单分子油膜的面积为S,这种油的密度为ρ,摩尔质量为M,则阿伏加德罗常数的表达式为　。 

创新型实验

类型一　不变装置变目的(测量植物油的分子直径)

【典例2】(2021·邯郸模拟)防疫停课期间,小刚在家用搪瓷碗、适量温水、植物油、酒精、细石膏粉、坐标纸、彩笔等估测分子的大小,他将0.1 mL的植物油溶于酒精,制成250 mL的植物油酒精溶液,用注射器测得1.0 mL上述溶液有100滴,现取一滴该溶液滴在水面上,将油膜形状画在边长为1.0 cm的方格纸上,算出完整的方格有67个,大于半格的有14个,小于半格的有19个。则:

(1)让植物油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植物油分子的　　　　　。 

(2)利用上述具体操作中的有关数据可知一滴植物油酒精溶液含植物油为

　　　　　m3,求得的植物油分子直径为　　　　　m(结果均保留两位有效数字)。 

类型二　不变装置变考查能力(验证数据正确性)

【典例3】(2021·萍乡模拟)在“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中,已知一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积为V油酸,配制的油酸酒精溶液中,纯油酸与溶液体积之比为1∶500,1 mL溶液有250滴,那么1滴溶液的体积是　　　　　mL,所以一滴溶液中纯油酸体积为V油酸=　　　　　cm3。若实验中测得结果如表所示,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=1.12×10-10 m作比较,判断此实验是否符合数量级的要求。 

答案解析

教材原型实验

【典例1】(2021·兰州模拟)实验所用油酸酒精溶液的浓度为每104 mL溶液中含有纯油酸6 mL,用注射器测得1 mL 上述溶液为80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,用笔在玻璃板上描出油膜的轮廓形状,再把玻璃板放在坐标纸上,其形状和尺寸如图所示,坐标中正方形方格的边长为1 cm。

(1)油膜的面积是　　　　　cm2; 

(2)按以上实验数据估测油酸分子的直径为　　　　m(保留两位有效数字); 

(3)利用单分子油膜法可以粗测分子的大小和阿伏加德罗常数。如果已知体积为V的一滴油酸在水面上散开形成的单分子油膜的面积为S,这种油的密度为ρ,摩尔质量为M,则阿伏加德罗常数的表达式为　。 

【解析】(1)根据图中描绘的轮廓,不足半格舍去,大于半格算一格,共计115个方格,所以油膜的面积为

115×1 cm×1 cm=115 cm2。

(2)每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是:V=× mL=7.5×10-6 mL

估测油酸分子的直径为

d== m≈6.5×10-10 m

(3)单个油酸分子的直径为d0=

单个油酸分子的体积为V0=π()3=π=

摩尔体积为Vmol=

则阿伏加德罗常数为NA==。

答案:(1)115(或116)　(2)6.5×10-10

(3)NA=

创新型实验

类型一　不变装置变目的(测量植物油的分子直径)

【典例2】(2021·邯郸模拟)防疫停课期间,小刚在家用搪瓷碗、适量温水、植物油、酒精、细石膏粉、坐标纸、彩笔等估测分子的大小,他将0.1 mL的植物油溶于酒精,制成250 mL的植物油酒精溶液,用注射器测得1.0 mL上述溶液有100滴,现取一滴该溶液滴在水面上,将油膜形状画在边长为1.0 cm的方格纸上,算出完整的方格有67个,大于半格的有14个,小于半格的有19个。则:

(1)让植物油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植物油分子的　　　　　。 

(2)利用上述具体操作中的有关数据可知一滴植物油酒精溶液含植物油为

　　　　　m3,求得的植物油分子直径为　　　　　m(结果均保留两位有效数字)。 

【解析】(1)这种估测方法是将每个分子视为球体,让植物油尽可能在水面散开,形成的油膜可视为单分子油膜,这层油膜的厚度可视为植物油分子的直径;

(2)一滴植物油酒精溶液含纯植物油体积为V=× mL=4.0×10-12 m3

根据题意,完整的方格有67个,大于半格的有14个,小于半格的有19个,根据大于半格算一格计算,超过半格的方格个数为n=67+14=81

则油膜面积为S=81×1 cm×1 cm=81 cm2=8.1×10-3 m2

植物油在水面上形成单分子油膜,则植物油分子直径为d== m≈4.9×10-10 m。

答案:(1)直径　(2)4.0×10-12　4.9×10-10

类型二　不变装置变考查能力(验证数据正确性)

【典例3】(2021·萍乡模拟)在“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中,已知一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积为V油酸,配制的油酸酒精溶液中,纯油酸与溶液体积之比为1∶500,1 mL溶液有250滴,那么1滴溶液的体积是　　　　　mL,所以一滴溶液中纯油酸体积为V油酸=　　　　　cm3。若实验中测得结果如表所示,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=1.12×10-10 m作比较,判断此实验是否符合数量级的要求。 

【解析】由题给条件得,1滴溶液的体积为

V溶液= mL,

因为=,故1滴溶液中油酸体积为

V油酸=V溶液=× cm3=8×10-6 cm3。

据此算得3次测得L的结果分别为1.50×10-8 cm、1.62×10-8 cm、1.42×10-8 cm,

其平均值为=

代入数据可得:≈1.51×10-10 m。这与公认值的数量级相吻合,故本次估测数值符合数量级的要求。

答案:　8×10-6　1.50×10-8　1.62×10-8