实验09：用油膜法估测分子直径(优.选)

1、实验九：用油膜法估测分子直径 【实验播放】 1实验目的： (1) 知道本实验的原理及所需的器材，了解实验注意的事项。 会正确测出一滴油酸酒精溶液中油酸的体积及形成油膜的面积。 (3) 会计算分子的大小，处理好实验数据。 (4) 领会本实验方法构思的特点，理解间接测量微观量的思想。 2、实验原理： 油酸分子的一端具有亲水性，另一端具有憎水性，当把酒精稀释过的油酸滴在水面 上时，油酸便在水面上散开，其中酒精溶于水，并很快挥发，在水面上形成有自由边界 的一层纯油酸薄膜，形成单分子油膜。如果将油酸看作是球状模型，测出一定体积的油 酸溶液在水面上形成的油膜面积，计算出油膜的厚度，这个厚度就等于分子的直径

2、。 3、实验器材 盛水的容器，在溶液刻度并能使油滴溶液一滴一滴下落和滴管或注射器，一个量筒， 按一定的比例(一般为1： 200)稀释了的油酸溶液，带有坐标方格的透明有机玻璃盖板(面 积略大小容器的上表面积)，少量痱子粉或石膏粉，彩笔。 4、实验步骤 (1) 用注射器或滴管将一定容积的油酸溶液一滴一滴地滴入量筒，记下量筒内增加一 定体积的滴数，求出一滴油酸溶液中所含纯油酸的体积V。 (2) 向容器中倒入约 2cm深的水，将痱子粉均匀地撒在水面上。 (3) 小心地将一滴油酸溶液滴到水面上，让它在水面上自由地扩展为油酸膜。 (4) 轻轻地将有机玻璃盖板放到容器上，用彩笔将油酸膜的形状画在玻璃板上。

3、利用坐标方格计算出油膜的面积S,再根据一滴溶液中纯油酸的体积和油膜的面 积求出油膜的厚度 D =V，即为所测分子和直径。 S 5、数据处理 (1)计算分子直径时，注意加的不是纯油酸，而是酒精油酸溶液，在利用公式d=V计 S 算时，式中的 V不是溶液的体积而应该进行换算，计算出 1滴酒精油酸溶液中纯油酸 的体积，方法是：设n滴酒精油酸溶液是1mL ,则每1滴的酒纯油酸溶液的体积是 1 mL , n 111 事先知道配制溶液的比例是 一，贝U 1滴溶液中的纯油酸体积 V=- 一 mL。式中的S Mn M 是滴入水中后，纯油酸形成的油膜，其面积用数坐标纸上对应的格数来计算，以1cm为 边长的坐标纸上

4、占了多少个格，其面积就是多少平方厘米，数格时，不足半个格的舍去， 多于半格的算1个格这样就可粗略地计算出油酸分子的直径. 6、注意事项 (1)痱子粉不要撒得太多，只要能够帮助看清油膜边界即可。 滴入油酸溶液时，一定要细心，不要一下滴得太多，使油膜的面积过大。 (3)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 一是水面受油酸滴冲击凹陷后恢复；第二是酒精挥发后液面收缩. 利用坐标求油膜面积时，以边长 1cm的正方形为单位，计算轮廓内正方形的个数 时，不足一个的均算半个。 (5) 当重做实验时，水从盘的一侧边缘倒出，在这侧面会残留油酸，用少量酒精清洗， 并用脱脂棉擦去再用清

5、水冲洗这样可保持盘的清洁. 7、误差分析 (1)由于我们是采用间接测量的方式测量分子的直径，实验室中配制的酒精溶液的浓 度、油酸在水面展开的程度、油酸面积的计算都直接影响测量的准确程度。 虽然分子直径的数量级应在10-10m。但中学阶段，对于本实验只要能测出油酸分 子直线的数量级在10-9m上即可认为是成功的。 【试题解析】 rr r riTTTETn-n 例1在做“用油膜法估测分子大小”的实验中， 所用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75滴.把1滴该溶 液滴人盛水的浅盘里，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酸的轮廓，再

6、把玻璃板放 在坐标纸上，其形状和尺寸如图1所示.坐标中正方形 方格的边长为1cm，试求： (1) 油酸膜的面积是多少 cm2 ? (2) 每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积？ 按以上实验数据估测出油酸分子的直径. 解析(1)由图形状，其中正方形方格 87个，用补偿法近似处理，可补 19个整小方 格.实际占小方格 87+19=106，那么油膜面积 S=106 X 1 cm2=106 cm2. 由1mL溶液中有75滴，1滴溶液的体积 1 mL .又每104mL溶液中有纯油酸 6mL , 1 6 1 75mL溶液中纯油酸的体积V市X 75 mL=8 X 10-6mL. 油酸分子直径 D= V =7.

7、5 X 10-10m。 例2 在用油膜法估测分子的大小实验中，已知一滴溶液中油酸的体积为V，配制 的油酸溶液中，纯油酸与溶液体积之比为1： 500，1mL溶液油酸25滴，那么1滴溶液 的体积是 mL，所以一滴溶液中油酸体积为 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Lo=1.12 X 10-10m做比较，并判断此实验是否符合数量级的要求. 次数 S(cm2) L冷（10伽 l的平均值 1 533 2 493 3 563 1 解析由题给条件得，1滴溶液的体积 V= 一 mL，由题意可知：1滴溶液中油酸体 25 积-1 X 丄 cm3=8 X

8、 10-5cm3. 50025 据此算得3次测得L的结果分别为1.50 X 10-7cm、1.62 X 10-7cm、1.42 X 10-7cm，其 平均值l= L1 L2 L3 =1.51 x 10-7cm =1.51 X 10-10m,这与公认值的数量级相吻合，故本 3 次估测数值符合数量级的要求. 【实验拓展】 1. 学科间综合 例3 油酸分子式是 C17H33COOH，其中对水有很强的亲和力，故当它 滴入水中时，油酸分子能 在水中，形成一个 油膜. 解析 油酸的化学分子式是 C17H33COOH 它的一个分子可以设想为两部分组成: 部分是C17H33-，它不受水的吸引；另一部分是 -C

9、OOH，它对水有很强的亲合力.经过 酒精稀释的油酸滴在水面上形成近似圆形的油膜， 酒精溶于水并挥发后，在水面上形成一层单分子纯 油酸层，其中C17H33-冒出水面，而-COOH部分在水 中如图2所示，估算油酸分子的最大长度只需求 出这层油膜的厚度即可. 2. 分子间距离的计算 例4 如图3所示,食盐（NaCI）的晶体是由钠离子（图中O ）和 氯离子（图中）组成的这两种离子在空间中三个互相垂直的方 向上,都是等距离地交错排列的.已知食盐的摩尔质量是 58.5g/mol,食盐的密度是2.2g/cm3.阿伏伽德罗常数为6.0 X 1023mol-1 .在食盐晶体中两个距离最近的钠离子中心间的距离的

10、数值最接近于（就下面四个数值相比）. A.3.0 x 10-8cmB.3.5 x 10-8cm C.4.0 x 10-8cmD.5.0 x 10-8cm 解析由题意可知，每立方厘米所含食盐的摩尔数为a=2Mmol/cm3，其所包含的 58.5 分子数为n= Z：2 x 6.0 x 1023=2.26 x 1022个/cm3，则所含离子数为2n,则每个离子所占有 58.5 的体积为Vo= x 10-22cm3=2.2 x 10-23 cm3，将离子视为立方体，则两个距离最近的 2 2.26 钠离子中心间的距离为其立方体的边长的、2倍，即d=、.2 3 v0 =3.9 x l0-8cm，即答案 C

11、正确。 【考点训练】 1 .如何利用注射器较准确地测出1 mL油酸溶液的体积？ 2 在做“用油膜法估测分子的大小”实验中，准备以下器材：酒精稀释过的油酸、 滴管、痱子粉、浅盘及水、玻璃板，还缺少的器材有（） A .彩笔B .量筒 C .方格坐标纸D .深水槽 3 在“用油膜法估测分子的大小”的实验中，关于油膜面积的测量方法，下列做法 中正确的是 （） A 油酸酒精溶液滴入水中后，应立即用刻度尺去量油膜的面积 B 油酸酒精溶液滴入水中后，应让油膜尽可能地散开，再用刻度尺去量油膜的面积 C 油酸酒精溶液滴入水中后，应立即将油膜的轮廊画在玻璃板上，再利用坐标纸去 计算油膜的面积. D .油酸酒精溶液

12、滴入水中后， 应让油膜尽可能散开， 再把油膜的轮廓画在玻璃板上， 然后用坐标纸去计算油膜的面积. 4 在做“用油膜法测分子大小”的实验中，为什么要待容器中的水稳定后才进行测 量？若油酸分子直径的数量级为10-10m，某同学的测量结果大于这个数量级，试分析可能 的原因. 5 下列关于“用油膜法估测分子的大小”说法中，错误的是（） A 油膜法可以非常准确地将油膜分子的直径测量出来 B 油膜法只能估测出分子直径的数量级 C .为了使测量更准确些，应该保持容器的清洁，在实验过程中注意浅盘的稳定性 D .实验的误差主要出在数出1 mL溶液可以滴多少滴以及一滴溶液中含有多少体积 纯油酸的计算上，为准确起见

13、，应在实验前加强练习，多测几次取平均值 6. 在计算一滴稀释油酸的体积时，要数出1mL溶液中可以滴n滴，从而计算出一 滴溶液中含有 mL的纯油酸.（每1 mL溶液含L mL纯油酸） 7 .对于油酸分子竖立在水面上，下列说法正确的是（） A .油酸分子可分为两个部分，其中 -COOH对水有很强的亲和力，故能使油酸分子 竖立漂在水面上，形成单分子油膜层 B .油酸分子可分为两个部分，其中C17H33-对水有很强的亲和力，故能使油膜分子 竖立在水中，形成单分子油膜层 C. 油膜分子竖立水中时，油膜分子两个部分中的-COOH留在水里，C17H33-露出水 面 D .油膜分子竖立水中时，它两个部分中的-

14、COOH露出水面而C17H33-留在水中 (3) 根据上述数据，估测出油酸分子的直径. 【答案与提示】 1. 在将注射器中注满油酸溶液后，应首先使针头朝上，把气泡排出，再使注射器针头竖 直朝下.一般来说用手下推活塞很难保证活塞匀速运动，易造成油滴大小不一，而拔出 活塞，让油酸溶液在重力作用下自由滴下效果较好. 2. ABC 3. 对实验要点熟悉之后，很容易得出答案：D. 4 因水不稳定时易发生波动及振动，不易形成完整、准确的膜，从而导致误差较大原 因可能是油酸酒精浓度过大，一滴混合溶液中油酸的体积就大，形成单分子的油膜面积 就大而盛水的容器面积不够，油酸散到容器边上时散不开，即不能形成尽量薄的

15、单分 子油膜，造成测量误差较大也可能盛水容器太小，痱子粉撒得过厚也是造成测量误差 的原因. 5. A 6. 7. AC & 球形单分子油膜直径 (2)1.11 X 10-9。 9蒸馏水中不含杂质，不致对实验产生影响，因此A选项正确在向水中滴油酸溶液液 滴时，注射器针尖要尽量靠近水面，避免对水面产生太大的冲击如果液滴下落高度太 大，对水面冲击太大，会形成爆炸式的、含有大锯齿形的油膜面，给测量造成困难同 时，滴液滴时还要求滴在膜的中央，因此B选项错误在描绘油膜形状时，盖板离水面 近些便于描绘，C选项正确同时还要注意：眼睛应在油膜的正上方，并使视线与油 膜垂直；在描绘过程中要避免引起水面振动在油酸溶液液滴滴入水中后，会发现油 膜面积先增大、后减小的现象，这是因为油膜中的无水乙醇的溶解和蒸发需要时间，一 般在大油膜形成后12 s的时间，就可以收缩成稳定的、面积较小的油膜，应在此时测