2020版物理新增分大一轮人教通用版讲义：第十三章热学实验十三

实验十三　用油膜法估测分子的大小

1.实验原理

实验采用使油酸在水面上形成一层单分子油膜的方法估测分子的大小.当把一滴用酒精稀释过的油酸滴在水面上时，油酸就在水面上散开，其中的酒精溶于水，并很快挥发，在水面上形成如图1甲所示形状的一层纯油酸薄膜.如果算出一定体积的油酸在水面上形成的单分子油膜的面积，即可算出油酸分子的大小.用V表示一滴油酸酒精溶液中所含纯油酸的体积，用S表示单分子油膜的面积，用d表示分子的直径，如图乙所示，则d＝.

图1

2.实验器材

盛水浅盘、注射器(或滴管)、容量瓶、坐标纸、玻璃板、痱子粉(或细石膏粉)、油酸酒精溶液、量筒、彩笔.

3.实验步骤

(1)用稀酒精溶液及清水清洗浅盘，充分洗去油污、粉尘，以免给实验带来误差.

(2)配制油酸酒精溶液，取纯油酸1 mL，注入500 mL的容量瓶中，然后向容量瓶内注入酒精，直到液面达到500 mL刻度线为止，摇动容量瓶，使油酸充分溶解在酒精中，这样就得到了500 mL含1 mL纯油酸的油酸酒精溶液.

(3)用注射器(或滴管)将油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，并记下量筒内增加一定体积Vn时的滴数n.

(4)根据V0＝算出每滴油酸酒精溶液的体积V0.

(5)向浅盘里倒入约2 cm深的水，并将痱子粉或细石膏粉均匀地撒在水面上.

(6)用注射器(或滴管)将一滴油酸酒精溶液滴在水面上.

(7)待油酸薄膜的形状稳定后，将玻璃板放在浅盘上，并将油酸膜的形状用彩笔画在玻璃板上.

(8)将画有油酸薄膜轮廓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).

(9)根据油酸酒精溶液的配制比例，算出一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V，并代入公式d＝算出油酸薄膜的厚度d.

(10)重复以上实验步骤，多测几次油酸薄膜的厚度，并求平均值，即为油酸分子直径的大小.

1.数据处理

根据上面记录的数据，完成以下表格内容.

2.注意事项

(1)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，这是针头中酒精挥发所致，不影响实验效果.

(2)待测油酸薄膜扩散后又会收缩，要在油酸薄膜的形状稳定后再画轮廓.扩散后又收缩有两个原因：①水面受油酸液滴冲击凹陷后又恢复；②酒精挥发后液面收缩.

(3)当重做实验时，将水从浅盘的一侧边缘倒出，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，这样做可保持浅盘的清洁.

(4)本实验只要求估测分子的大小，实验结果的数量级符合要求即可.

命题点一　教材原型实验

例1　在“用油膜法估测分子的大小”实验中，

(1)(多选)该实验中的理想化假设是(　　)

A.将油膜看成单分子层油膜

B.不考虑各油酸分子间的间隙

C.不考虑各油酸分子间的相互作用力

D.将油酸分子看成球形

(2)实验中使用到油酸酒精溶液，其中酒精溶液的作用是(　　)

A.可使油酸和痱子粉之间形成清晰的边界轮廓

B.对油酸溶液起到稀释作用

C.有助于测量一滴油酸的体积

D.有助于油酸的颜色更透明便于识别

(3)某老师为本实验配制油酸酒精溶液，实验室配备的器材有：面积为0.22 m2的蒸发皿、滴管、量筒(50滴溶液滴入量筒体积约为1毫升)、纯油酸和无水酒精若干.已知分子直径数量级为10－10 m，则该老师配制的油酸酒精溶液浓度(油酸与油酸酒精溶液的体积比)至多为________‰(保留两位有效数字).

答案　(1)ABD　(2)B　(3)1.1

解析　(1)计算分子直径是根据体积与面积之比，所以需将油膜看成单分子层油膜，不考虑各油酸分子间的间隙，将油酸分子看成球形，故选A、B、D.

(2)实验中使用到油酸酒精溶液，其中酒精溶液对油酸起到稀释作用，酒精稀释油酸是为了进一步减小油酸的面密度，使油酸分子尽可能少的在竖直方向上重叠，更能保证其形成单层分子油膜，也就是为了减小系统误差.

(3)根据题意可知，形成的油膜的面积不能超过蒸发皿的面积，当油膜面积等于蒸发皿的面积时，油酸酒精溶液浓度最大.一滴油酸的体积V0＝dS＝10－10 m×0.22 m2＝2.2×10－11 m3，一滴油酸酒精溶液的体积V＝ cm3＝2×10－8 m3，则此油酸酒精溶液的浓度为＝1.1 ‰.

变式1　(多选)(2018·湖北省武汉市调研)在“用油膜法估测分子的大小”的实验中，下列做法正确的是(　　)

A.用注射器吸取配制好的油酸酒精溶液，把它一滴一滴地滴入小量筒中，若100滴溶液的体积是1 mL，则1滴溶液中含有油酸10－2 mL

B.往浅盘里倒入适量的水，再将痱子粉或细石膏粉均匀地撒在水面上

C.用注射器往水面上滴1滴油酸酒精溶液，同时将玻璃板放在浅盘上，并立即在玻璃板上描下油酸膜的形状

D.将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，计算轮廓范围内正方形的个数，并求得油膜的面积

E.根据1滴油酸酒精溶液中油酸的体积V和油膜面积S就可以算出油膜厚度d＝，即油酸分子的大小

答案　BDE

解析　用注射器吸取配制好的油酸酒精溶液，把它一滴一滴地滴入小量筒中，若100滴溶液的体积是1 mL，则1滴油酸酒精溶液的体积是10－2 mL，含有油酸的体积小于10－2 mL，选项A错误；往浅盘里倒入适量的水，再将痱子粉或细石膏粉均匀地撒在水面上，选项B正确；用注射器往水面上滴1滴油酸酒精溶液，同时将玻璃板放在浅盘上，待油酸在液面上分布均匀并稳定后，在玻璃板上描下油酸膜的形状，选项C错误；将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，计算轮廓范围内正方形的个数，并求得油膜的面积，选项D正确；根据1滴油酸酒精溶液中油酸的体积V和油膜面积S就可以算出油膜厚度d＝，即油酸分子的大小，选项E正确.

变式2　(2018·河南省郑州市第三次质量预测)在“用油膜法估测分子的大小”的实验中，将一滴油酸酒精溶液滴入事先洒有均匀痱子粉的水槽中，待油膜充分散开后，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2所示.坐标纸上正方形小方格的边长为10 mm，该油膜的面积是________ m2；已知油酸酒精溶液中油酸浓度为0.2%,400滴油酸酒精溶液滴入量筒后的体积是1.2 mL，则油酸分子的直径为________ m.(结果均保留两位有效数字)

图2

答案　8.0×10－3　7.5×10－10

解析　在围成的方格中，不足半格舍去，多于半个的算一个，共有80个方格，故油酸膜的面积为S＝80×1 cm×1 cm＝80 cm2＝8.0×10－3 m2

每滴油酸酒精溶液中含有油酸的体积

V＝×0.2% mL＝6×10－12 m3

根据d＝＝7.5×10－10 m.

命题点二　实验拓展创新

例2　测量分子大小的方法有很多，如油膜法、显微法.

(1)在“用油膜法估测分子的大小”的实验中，用移液管量取0.25 mL油酸，倒入标注250 mL的容量瓶中，再加入酒精后得到250 mL的溶液.然后用滴管吸取这种溶液，向小量筒中滴入50滴溶液，溶液的液面达到量筒中1 mL的刻度，再用滴管取配好的油酸酒精溶液，向撒有痱子粉的盛水浅盘中滴下1滴溶液，在液面上形成油酸薄膜，待油膜稳定后，放在带有正方形坐标格的玻璃板下观察油膜，如图3甲所示.坐标格中每个小正方形方格的大小为2 cm×2 cm.由图可以估算出油膜的面积是______ cm2，由此估算出油酸分子的直径是______ m(结果保留一位有效数字).

图3

(2)如图乙是用扫描隧道显微镜拍下的一个“量子围栏”的照片.这个量子围栏是由48个铁原子在铜的表面排列成直径为1.43×10－8 m的圆周而组成的.由此可以估算出铁原子的直径约为________ m(结果保留两位有效数字).

答案　(1)256　8×10－10　(2)9.4×10－10

解析　(1)数油膜的正方形格数，大于半格的算一格，小于半格的舍去，得到油膜的面积S＝64×2 cm×2 cm＝256 cm2.溶液浓度为，每滴溶液体积为 mL,1滴溶液中所含油酸体积为V＝2×10－5 cm3.油膜厚度即油酸分子的直径是d＝≈8×10－10 m.

(2)直径为1.43×10－8 m的圆周周长为D＝πd≈4.49×10－8 m，可以估算出铁原子的直径约为

d′＝ m≈9.4×10－10 m.