实验09:用油膜法估测分子直径

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-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。(2)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。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。(5)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=SV,即为所测分子和直径。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=SV计算时,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n1mL,事先知道配制溶液的比例是M1,则1滴溶液中的纯油酸体积V=n1·M1mL。式中的S-2-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。(2)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.(4)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。(2)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】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?(3)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=106×1cm2=106cm2.(2)由1mL溶液中有75滴,1滴溶液的体积751mL.又每104mL溶液中有纯油酸6mL,751mL溶液中纯油酸的体积V=4106×751mL=8×10-6mL.(3)油酸分子直径D==SV=7.5×10-10m。-3-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L0=1.12×10-10m做比较,并判断此实验是否符合数量级的要求.次数S(cm2)L=SV(10-7cm)L的平均值153324933563解析由题给条件得,1滴溶液的体积V=251mL,由题意可知:1滴溶液中油酸体积5001×251cm3=8×10-5cm3.据此算得3次测得L的结果分别为1.50×10-7cm、1.62×10-7cm、1.42×10-7cm,其平均值L=3321LLL=1.51×10-7cm=1.51×10-10m,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.【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:一部分是C17H33-,它不受水的吸引;另一部分是-COOH,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(NaCl)的晶体是由钠离子(图中○)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6.0×1023mol-1.在食盐晶体中两个距离最近的钠离子中心间的距离的数值最接近于(就下面四个数值相比).-4-A.3.0×10-8cmB.3.5×10-8cmC.4.0×10-8cmD.5.0×10-8cm解析由题意可知,每立方厘米所含食盐的摩尔数为a=55822..mol/cm3,其所包含的分子数为n=55822..×6.0×1023=2.26×1022个/cm3,则所含离子数为2n,则每个离子所占有的体积为V0=26221.×10-22cm3=2.2×10-23cm3,将离子视为立方体,则两个距离最近的钠离子中心间的距离为其立方体的边长的2倍,即d=2·30V=3.9×10-8cm,即答案C正确。【考点训练】1.如何利用注射器较准确地测出1mL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1mL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,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1mL溶液含LmL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-5-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-COOH露出水面而C17H33-留在水中8.粗测油酸分子大小的实验中,具体操作如下:①取油酸1.00mL注入250mL的容量瓶内,然后向瓶中加入酒精,直到液面达到250mL的刻度为止,摇动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人量筒,记录滴人的滴数直到量筒达到1.00mL为止,恰好共滴了100滴.③在水盘内注入蒸馏水,静置后滴管吸取油酸的酒精溶液,轻轻地向水面滴一滴溶液,酒精挥发后,油酸在水面上尽可能地散开,形成一油膜.④测得此油膜面积为3.60×102cm2.(1)这种粗测方法是将每个分子视为,让油酸尽可能地在水面上散开,则形成的油膜面积可视为,这层油膜的厚度可视为油分子的。(2)利用数据可求得油酸分子的直径为m.9.下面哪些措施可以减小“用油膜法估测分子的大小”的实验的误差().A.装在浅盘中的水用蒸馏水D.向水中滴油酸酒精溶液液滴时,只要注射器针尖离水面近一些就可以,没有其他要求C.在描绘油膜形状时,透明盖板要离水面近些D.在油膜稳定后再描绘油膜的形状10.在做“用油膜法估测分子的大小”的实验中,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上述溶液中有液滴50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,在玻璃板上描出油膜的轮廓,随后把玻璃板放在坐标纸上,其形状如图4所示,坐标纸中正方形小方格的边长为20mm.求:(1)油酸膜的面积;(2)每一滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积;(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.ABC3.对实验要点熟悉之后,很容易得出答案:D.-6-4.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.A6.nL7.AC8.(1)球形单分子油膜直径(2)1.11×10-9。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:①眼睛应在油膜的正上方,并使视线与油膜垂直;②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1~2s的时间,就可以收缩成稳定的、面积较小的油膜,应在此时测量,D选项正确.答案A、C、D.10.(1)由图中数得油酸薄膜轮廓内约包含62个方格,每个方格的面积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