2021版江苏高考物理一轮复习讲义：第12章实验16　用油膜法估测油酸分子的大小

实验十六　用油膜法估测油酸分子的大小

1．实验目的

用油膜法估测分子的大小。

2．实验原理

利用油酸酒精溶液在平静的水面上形成单分子油膜(如图所示)，将油酸分子看作球形，测出一定体积油酸溶液在水面上形成的油膜面积，用d＝计算出油膜的厚度，其中V为一滴油酸溶液中纯油酸的体积，S为油膜面积。这个厚度就近似等于油酸分子的直径。

3．实验器材

已稀释的油酸若干毫升、量筒1个、浅盘1只(30 cm×40 cm)、纯净水、注射器(或滴管)1支、透明玻璃板一块、坐标纸、彩色水笔1支、痱子粉或石膏粉(带纱网或粉扑)。

4．实验步骤

(1)取1 mL(1 cm3)的油酸溶于酒精中，制成200 mL的油酸酒精溶液。

(2)往边长约为30～40 cm的浅盘中倒入约2 cm深的水，然后将痱子粉或石膏粉均匀地撒在水面上。

(3)用滴管(或注射器)向量筒中滴入n滴配制好的油酸酒精溶液，使这些溶液的体积恰好为1 mL，算出每滴油酸酒精溶液的体积V0＝ mL。

(4)用滴管(或注射器)向水面上滴入一滴配制好的油酸酒精溶液，油酸就在水面上慢慢散开，形成单分子油膜。

(5)待油酸薄膜形状稳定后，将一块较大的玻璃板盖在浅盘上，用彩笔将油酸薄膜的形状画在玻璃板上。

(6)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。

(7)根据油酸酒精溶液的浓度，算出一滴溶液中纯油酸的体积V，根据纯油酸的体积V和薄膜的面积S，算出油酸薄膜的厚度d＝，即为油酸分子的直径。 比较算出的分子直径， 看其数量级(单位为m)是否为10－10，若不是10－10需重做实验。

5．注意事项

(1)在水面上撒石膏粉时，注意不要触动浅盘中的水。

(2)在有机玻璃板上描绘轮廓时动作轻而迅速，眼睛视线要始终与玻璃垂直。

(3)酒精油酸溶液配制后不要长时间放置，以免改变浓度，产生误差。

(4)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，是由针头中酒精挥发所致，不影响实验效果。

(5)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，水面受油酸滴冲击凹陷后又恢复；第二，酒精挥发后液面收缩。

(6)当重做实验时，水从盘的一侧边缘倒出，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，这样可保持盘的清洁。

(7)从盘的中央加痱子粉，使粉自动扩散至均匀，这是由于以下两种因素所致：第一，加粉后水的表面张力系数变小，不将粉粒拉开；第二，粉粒之间的排斥，这样做比粉撒在水面上的实验效果好。

(8)本实验只要求估算分子大小，实验结果数量级符合要求即可。

实验原理与操作

1．将所有的实验用具擦洗干净，不能混用。

2．油酸酒精溶液的浓度以小于0.1%为宜。

3．方盘中的水离盘口面的距离应较小，并要水平放置，以便准确地画出薄膜的形状，画线时视线应与板面垂直。

1．(2019·全国卷Ⅲ)用油膜法估算分子大小的实验中，首先需将纯油酸稀释成一定浓度的油酸酒精溶液，稀释的目的是________________。实验中为了测量出一滴已知浓度的油酸酒精溶液中纯油酸的体积，可以_______________。为得到油酸分子的直径，还需测量的物理量是___________________。

[解析]　由于分子直径非常小，极少量油酸所形成的单分子层油膜面积也会很大，因此实验前需要将油酸稀释，使油酸在浅盘的水面上容易形成一块单分子层油膜。可以用累积法测量多滴溶液的体积后计算得到一滴溶液的体积。油酸分子直径等于油酸的体积与单分子层油膜的面积之比，即d＝，故除测得油酸酒精溶液中所含纯油酸的体积外，还需要测量单分子层油膜的面积。

[答案]　使油酸在浅盘的水面上容易形成一块单分子层油膜　把油酸酒精溶液一滴一滴地滴入小量筒中，测出1 mL油酸酒精溶液的滴数，得到一滴溶液中纯油酸的体积　单分子层油膜的面积

2．(多选)(2019·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．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

BD　[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；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D正确。]

3．在用油膜法估测油酸分子直径的实验中，有下列实验步骤：

①往边长约为40 cm的浅盘里倒入约2 cm深的水，待水面稳定后将适量的痱子粉均匀地撒在水面上；

②用注射器将事先配好的油酸酒精溶液滴一滴在水面上，待薄膜形状稳定；

③将画有油膜形状的玻璃平板放在坐标纸上，计算出油膜的面积，根据油酸的体积和面积计算出油酸分子直径的大小；

④用注射器将事先配好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中，记下量筒内每增减一定体积时的滴数，由此计算出一滴油酸酒精溶液的体积；

⑤将玻璃板放在浅盘上，然后将油膜的形状用彩笔描绘在玻璃板上。

(1)上述步骤中，正确的顺序是：④①________(填写步骤前面的数字)。

(2)实验中所用的油酸酒精溶液的体积百分比浓度为0.05%，每滴溶液的体积为0.02 mL，描出油酸膜边缘轮廓，油酸膜的面积约为110 cm2，由此可估算出油酸分子的直径为________ m。(结果保留两位有效数字)

(3)实验中若油酸未完全散开就测油膜面积，会导致计算分子直径的结果比真实值________(选填“偏大”或“偏小”)。

[解析]　(1)上述步骤中，正确的顺序是：④①②⑤③。

(2)油酸分子的直径为d＝＝ m＝9.1×10－10 m

(3)实验中若油酸未完全散开就测油膜面积，则S测量值偏小，则根据d＝，会导致计算分子直径的结果比真实值偏大。

[答案]　 (1)②⑤③　(2)9.1×10－10　 (3)偏大

数据处理与误差分析

1．纯油酸体积的计算引起误差。

2．油膜形状的画线误差。

3．数格子法本身是一种估算的方法，自然会带来误差。

1．在“用油膜法估测油酸分子直径”的实验中，某同学按如下操作：

a．在量筒中滴入一滴已配制好的油酸酒精溶液，测出其体积

b．在装有水、撒适量痱子粉的浅盘中滴入一滴已配制好的溶液，使薄膜形状稳定

c．将玻璃板放在浅盘上，将油膜形状描绘在玻璃板上

d．将玻璃板平放在坐标纸上，计算出油膜的面积，根据油酸体积和面积计算出油酸分子的直径

(1)其中有操作错误的步骤是________。

(2)已知油酸酒精溶液中油酸体积所占比例为k，N滴油酸溶液体积为V，一滴油酸溶液形成油膜的面积为S，则油酸分子的直径为________。

[解析]　(1)用量筒测一滴溶液的体积，无法操作，即使测量，误差也很大，要测出一滴油酸酒精溶液的体积，应在量筒中滴入N滴油酸酒精溶液，测出其体积为V，然后求出一滴该溶液的体积为V1＝，故有操作错误的步骤是a。

(2)一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积为V2＝，一滴油酸酒精溶液形成的油膜面积为S，那么油酸分子直径为d＝。

[答案]　(1)a　(2)

2．(1)“用油膜法估测分子的大小”实验的科学依据是________。

A．考虑了各油酸分子间的间隙

B．不考虑各油酸分子间的间隙

C．将油酸形成的膜看成单分子油膜

D．将油酸分子看成立方体

(2)某学生在做“用油膜法估测分子的大小”的实验时，计算结果偏大，可能是由于________。

A．油酸未完全散开

B．油酸溶液浓度低于实际值

C．计算油膜面积时，舍去了所有不足一格的方格

D．求每滴体积时1 mL的溶液的滴数多记了10滴

(3)在“用油膜法估测分子大小”实验中所用的油酸酒精溶液为1 000 mL溶液中有纯油酸 0.6 mL，用量筒测得1 mL上述溶液为80滴，把1滴该溶液滴入盛水的浅盘内，让油膜在水面上尽可能散开，油酸薄膜的轮廓形状和尺寸如图所示，图中正方形方格的边长为1 cm，试求：

①油酸膜的面积是________ cm2。(保留三位有效数字)

②每滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是________ m3。

③实验测出油酸分子的直径是________ m。(结果保留两位有效数字)

④实验中为什么要让油膜尽可能散开？________。

[解析]　(1)在“用油膜法估测分子的大小”实验中，我们的实验依据是：①油膜是呈单分子分布的；②把油酸分子看成球形；③分子之间没有空隙，由此可知A、D错误，B、C正确。

(2)计算油酸分子直径的公式是d＝，V是纯油酸的体积，S是油膜的面积。油酸未完全散开，S偏小，故得到的分子直径d将偏大，故A正确；如果油酸溶液浓度低于实际值，则油酸的实际体积偏小，则直径将偏小，故B错误；计算油膜面积时舍去了所有不足一格的方格，S将偏小，故得到的分子直径将偏大，故C正确；求每滴体积时，1 mL的溶液的滴数误多记了10滴，由V0＝可知，纯油酸的体积将偏小，则计算得到的分子直径将偏小，故D错误。

(3)①由图示可知，由于每格边长为1 cm，则每一格就是1 cm2 ，估算油膜面积以超过半格以一格计算，小于半格就舍去的原则，估算出105格。则油酸薄膜面积S＝105 cm2；

②一滴油溶液中含油的体积为V＝×＝7.5×10－6 mL＝7.5×10－12 m3；

③所以油酸分子直径为d＝＝＝7.1×10－10 m；

④当油酸溶液滴在水面后，让油膜尽可能散开，目的是为了让油膜在水面上形成单分子油膜。

[答案]　(1)BC　(2)AC　(3)①115　 ②7.5×10－12　③7.1×10－10　④这样做的目的是为了让油膜在水面上形成单分子油膜