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实验09:用油膜法估测分子直径


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 =
V S

,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=
V 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: n 滴酒精油酸溶液是 1mL, 设 则每 1 滴的酒纯油酸溶液的体积是 事先知道配制溶液的比例是
1 M
1 n

mL,

,则 1 滴溶液中的纯油酸体积 V=
-1-

1 n

·

1 M

mL 。式中的 S

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=106×1 cm2=106 cm2. (2)由 1mL 溶液中有 75 滴, 滴溶液的体积 1
1 75 1 75

mL. 又每 104mL 溶液中有纯油酸 6mL,

mL 溶液中纯油酸的体积 V= (3)油酸分子直径 D==
V S

6 10
4

×

1 75

mL=8×10-6mL.

=7.5×10-10m。
-2-

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 1 2 3 解析 积
1 500

S(cm2) 533 493 563 由题给条件得,1 滴溶液的体积 V=

L=

V S

(10-7cm)

L 的平均值

1 25

mL,由题意可知:1 滴溶液中油酸体

×

1 25

cm3=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=
L1 ? L 2 ? L 3 3

=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).
-3-

A.3.0×10-8cm C.4.0×10-8cm 解析

B.3.5×10-8cm D.5.0×10-8cm
2 .2 58 . 5

由题意可知,每立方厘米所含食盐的摩尔数为 a=
2 .2 58 . 5

mol/cm3,其所包含的

分子数为 n=

×6.0×1023=2.26×1022 个/cm3,则所含离子数为 2n,则每个离子所占有
1

的体积为 V0=

2 ? 2 . 26

×10-22cm3=2.2×10-23 cm3,将离子视为立方体,则两个距离最近的
2

钠离子中心间的距离为其立方体的边长的 C 正确。

倍,即 d=

2

· 3 V 0 =3.9×10-8cm,即答案

【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,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
-4-

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 6 mL.用注射器测 得 1 mL 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 20 mm.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.ABC 3.对实验要点熟悉之后,很容易得出答案:D.
-5-

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.A 6.
L n

7.AC 8.(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 1~2 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 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,每个方格的面积为 2×2=4 cm2,所 以总面积约为 248 cm2. (2)由题知每滴油酸酒精溶液的体积是
1 50

mL.由于油酸的浓度为每 104mL 油酸酒精溶液
6 10
4

中含 6 mL 纯油酸,所以每滴溶液中含有纯油酸的体积是 V= (3)根据上述数据,测出油酸分子的大小为 d=
V S

×

1 50

mL=1.2×10-6mL

=4.8×10-10m。

-6-


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