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實驗十三　用油膜法估測分子的大小 1．實驗原理 實驗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?。敯岩坏斡镁凭♂屵^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)，在水面上形成如圖1甲所示形狀的一層純油酸薄膜．如果算出一定體積的油酸在水面上形成的單分子油膜的面積，即可算出油酸分子的大?。肰表示一滴油酸酒精溶液中所含純油酸的體積，用S表示單分子油膜的面積，用d表示分子的直徑，如圖乙所示，則d＝. 圖1 2．實驗器材 盛水淺盤、注射器(或滴管)、容量瓶、坐標紙、玻璃板、痱子粉(或細石膏粉)、油酸酒精溶液、量筒、彩筆． 3．實驗步驟 (1)用稀酒精溶液及清水清洗淺盤，充分洗去油污、粉塵，以免給實驗帶來誤差． (2)配制油酸酒精溶液，取純油酸1mL，注入500mL的容量瓶中，然后向容量瓶內(nèi)注入酒精，直到液面達到500mL刻度線為止，搖動容量瓶，使油酸充分溶解在酒精中，這樣就得到了500mL含1mL純油酸的油酸酒精溶液． (3)用注射器(或滴管)將油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，并記下量筒內(nèi)增加一定體積Vn時的滴數(shù)n. (4)根據(jù)V0＝算出每滴油酸酒精溶液的體積V0. (5)向淺盤里倒入約2cm深的水，并將痱子粉或細石膏粉均勻地撒在水面上． (6)用注射器(或滴管)將一滴油酸酒精溶液滴在水面上． (7)待油酸薄膜的形狀穩(wěn)定后，將玻璃板放在淺盤上，并將油酸膜的形狀用彩筆畫在玻璃板上． (8)將畫有油酸薄膜輪廓的玻璃板放在坐標紙上，算出油酸薄膜的面積S(求面積時以坐標紙上邊長為1cm的正方形為單位計算輪廓內(nèi)正方形的個數(shù)，不足半個的舍去，多于半個的算一個)． (9)根據(jù)油酸酒精溶液的配制比例，算出一滴油酸酒精溶液中純油酸的體積V，并代入公式d＝算出油酸薄膜的厚度d. (10)重復以上實驗步驟，多測幾次油酸薄膜的厚度，并求平均值，即為油酸分子的大?。? 1．數(shù)據(jù)處理 根據(jù)上面記錄的數(shù)據(jù)，完成以下表格內(nèi)容. 實驗次數(shù) 量筒內(nèi)增加1mL溶液時的滴數(shù) 輪廓內(nèi)的小格子數(shù) 輪廓面積S 1 2 3 4 實驗次數(shù) 一滴純油酸的體積V 分子的大小(m) 平均值 1 2 3 4 2.注意事項 (1)注射器針頭高出水面的高度應在1cm之內(nèi)，當針頭靠水面很近(油酸未滴下之前)時，會發(fā)現(xiàn)針頭下方的粉層已被排開，這是針頭中酒精揮發(fā)所致，不影響實驗效果． (2)待測油酸薄膜擴散后又會收縮，要在油酸薄膜的形狀穩(wěn)定后再畫輪廓．擴散后又收縮有兩個原因：①水面受油酸液滴沖擊凹陷后又恢復；②酒精揮發(fā)后液面收縮． (3)當重做實驗時，將水從淺盤的一側(cè)邊緣倒出，在這側(cè)邊緣會殘留油酸，可用少量酒精清洗，并用脫脂棉擦去再用清水沖洗，這樣做可保持淺盤的清潔． (4)本實驗只要求估測分子的大小，實驗結(jié)果的數(shù)量級符合要求即可． 命題點一　教材原型實驗 例1　在用單分子油膜估測分子大小的實驗中， (1)某同學計算出的結(jié)果明顯偏大，可能是由于(　　) A．油酸未完全散開 B．油酸中含有大量酒精 C．計算油膜面積時舍去了所有不足一格的方格 D．求每滴溶液中純油酸的體積時，1mL溶液的滴數(shù)多記了10滴 (2)在做實驗時，油酸酒精溶液的濃度為每1000mL溶液中有純油酸1mL，用注射器測得1mL上述溶液有200滴，把一滴該溶液滴入盛水的表面撒有痱子粉的淺盤里，待水面穩(wěn)定后，測得油膜的近似輪廓如圖2所示．圖中正方形小方格的邊長為1cm，根據(jù)上述數(shù)據(jù)，估測出油酸分子的直徑是________nm. 圖2 答案　(1)AC　(2)0.4 解析　(1)分子直徑d＝，計算出的結(jié)果明顯偏大，若油酸未完全散開，面積減小，直徑偏大，A正確；若油酸中含有大量酒精，會使油膜面積偏大，直徑偏小，B錯誤；若計算油膜面積時舍去了所有不足一格的方格，會使油膜面積偏小，直徑偏大，C正確；求每滴溶液中純油酸的體積時，1 mL溶液的滴數(shù)多記了10滴，會使液滴體積變小，直徑偏小，D錯誤． (2)油酸酒精溶液的濃度為，一滴溶液中含有純油酸的體積為 mL，形成油膜約占125個小格，即S＝12510－4 m2，則油酸分子的直徑d＝＝410－10 m＝0.4 nm. 1．“用油膜法估測分子的大小”實驗的簡要步驟如下： A．將畫有油酸膜輪廓的玻璃板放在坐標紙上，數(shù)出輪廓內(nèi)的方格數(shù)(不足半個的舍去，多于半個的算一個)，再根據(jù)方格的邊長求出油酸膜的面積S. B．將一滴油酸酒精溶液滴在水面上，待油酸薄膜的形狀穩(wěn)定后，將玻璃板放在淺盤上，用彩筆將薄膜的形狀描畫在玻璃板上 C．用淺盤裝入約2cm深的水． D．用公式d＝，求出薄膜厚度，即油酸分子直徑的大小． E．根據(jù)油酸酒精溶液的濃度，算出一滴溶液中純油酸的體積V. 上述步驟中有步驟遺漏或不完整的，請指出： (1)________________________________________________________________________ (2)________________________________________________________________________ 上述實驗步驟的合理順序是________． 某同學實驗中最終得到的計算結(jié)果和大多數(shù)同學的比較，數(shù)據(jù)偏大，對出現(xiàn)這種結(jié)果的原因，下列說法中可能正確的是________． A．錯誤地將油酸酒精溶液的體積直接作為油酸的體積進行計算 B．計算油酸膜面積時，錯將不完整的方格作為完整方格處理 C．計算油酸膜面積時，只數(shù)了完整的方格數(shù) D．水面上痱子粉撒得較多，油酸膜沒有充分展開 答案　見解析 解析　(1)C步驟中，要在水面上撒上痱子粉或細石膏粉． (2)實驗時，還需要：F.用注射器或滴管將事先配制好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒，記下量筒內(nèi)增加一定體積時液滴的數(shù)目． 實驗步驟的合理順序是CFBAED. 由d＝可知，測量結(jié)果偏大有兩個原因，一是體積比正常值偏大，二是面積比正常值偏小，故正確的說法是A、C、D. 2．在“用單分子油膜估測分子大小”實驗中， (1)①取一定量的無水酒精和油酸，制成一定濃度的油酸酒精溶液； ②在量筒中滴入一滴該溶液，測出它的體積； ③在蒸發(fā)皿內(nèi)盛一定量的水，再滴入一滴油酸酒精溶液，待其散開穩(wěn)定； ④在蒸發(fā)皿上覆蓋透明玻璃，描出油膜形狀，用透明方格紙測量油膜的面積． 改正其中的錯誤：____________________ ________________________________________________________________________. (2)若油酸酒精溶液體積濃度為0.10%，一滴溶液的體積為4.810－3mL，其形成的油膜面積為80cm2，則估測出油酸分子的直徑為________m. 答案　(1)見解析　(2)6.010－10 解析　(1)②由于一滴溶液的體積太小，直接測量時相對誤差太大，應用微小量累積法減小測量誤差，故可在量筒內(nèi)滴入N滴該溶液，測出它的體積．③液面上不撒痱子粉或細石膏粉時，滴入的油酸酒精溶液在酒精揮發(fā)后剩余的油膜不能形成一塊完整的油膜，故應先在液面上撒痱子粉或細石膏粉． (2)由油膜的體積等于一滴油酸酒精溶液內(nèi)純油酸的體積可得 d＝＝ m＝6.010－10 m. 3．在做“用油膜法估測分子的大小”的實驗中，將油酸溶于酒精，其濃度為每104mL溶液中有6mL油酸．用注射器測得1mL上述溶液有75滴，把1滴該溶液滴入盛水的淺盤里，待水面穩(wěn)定后，將玻璃板放在淺盤上，用彩筆在玻璃板上描出油酸膜的輪廓，再把玻璃板放在坐標紙上，其形狀和大小如圖3所示，坐標中正方形方格的邊長為1cm，試求： 圖3 (1)油酸膜的面積是________； (2)每滴油酸酒精溶液中含有純油酸的體積是________； (3)按以上實驗數(shù)據(jù)估測出油酸分子的直徑是________． 答案　(1)131cm2　(2)810－6mL　(3)6.110－10m 解析　(1)根據(jù)題圖，數(shù)得格子數(shù)(多于半個的算一個，不足半個的舍去)為131個，那么油膜面積是S＝1311 cm2＝131 cm2. (2)根據(jù)已知條件可知，1 mL溶液中有75滴，1滴溶液的體積是mL.又已知每104 mL溶液中有純油酸6 mL，一滴油酸酒精溶液中純油酸的體積是 V＝ mL＝810－6 mL. (3)油酸分子的直徑為 d＝＝ cm≈6.110－10 m. 命題點二　實驗拓展創(chuàng)新 例2　測量分子大小的方法有很多，如油膜法、顯微法． (1)在“用油膜法估測分子大小”的實驗中，用移液管量取0.25mL油酸，倒入標注250mL的容量瓶中，再加入酒精后得到250mL的溶液．然后用滴管吸取這種溶液，向小量筒中滴入100滴溶液，溶液的液面達到量筒中1mL的刻度，再用滴管取配好的油酸溶液，向撒有痱子粉的盛水淺盤中滴下2滴溶液，在液面上形成油酸薄膜，待油膜穩(wěn)定后，放在帶有正方形坐標格的玻璃板下觀察油膜，如圖4甲所示．坐標中每個小正方形方格的大小為2cm2cm.由圖可以估算出油膜的面積是______cm2，由此估算出油酸分子的直徑是______m(保留一位有效數(shù)字)． 圖4 (2)如圖乙是用掃描隧道顯微鏡拍下的一個“量子圍欄”的照片．這個量子圍欄是由48個鐵原子在銅的表面排列成直徑為1.4310－8m的圓周而組成的．由此可以估算出鐵原子的直徑約為________m(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)． 答案　(1)256　810－10　(2)9.410－10 解析　(1)數(shù)油膜的正方形格數(shù)，大于半格的算一格，小于半格的舍去，得到油膜的面積S＝642 cm2 cm＝256 cm2.溶液濃度為，每滴溶液體積為 mL,2滴溶液中所含油酸體積為V＝210－5 cm3.油膜厚度即油酸分子的直徑是d＝≈810－10 m. (2)直徑為1.4310－8 m的圓周周長為D＝πd≈4.4910－8 m，可以估算出鐵原子的直徑約為 d′＝ m≈9.410－10 m.