高考物理一輪突破實驗 【實驗操作+能力拓展】 用油膜法估測油酸分子的大小

實驗十七用油膜法估測油酸分子的大小實驗?zāi)康暮推鞑膶嶒炘韺嶒災(zāi)康挠糜湍しü罍y油酸分子的大小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小(油酸分子簡化成球形)。當把一滴用酒精稀釋過的油酸滴在水面上時,油酸就在水面上散開,其中的酒精溶于水中并很快揮發(fā),在水面上形成近似圓形的一層純油酸薄膜,如圖所示。實驗中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S,即可算出油酸分子的大小,直徑d=QUOTEVSVS實驗器材清水、酒精、油酸、量筒、淺盤、滴管、玻璃板、記號筆、痱子粉、坐標紙、量筒【實驗過程】1.往邊長約為30～40cm的淺盤里倒入約2cm深的水,然后將痱子粉或石膏粉均勻地撒在水面上。2.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中,記下量筒內(nèi)增加1mL時的滴數(shù)。3.用注射器或滴管將事先配制好的油酸酒精溶液滴在水面上一滴,油酸就在水面上散開,其中的酒精溶于水中,并很快揮發(fā),在水面上形成如圖所示形狀的一層純油酸薄膜。4.待油酸薄膜的形狀穩(wěn)定后,將事先準備好的有機玻璃板放在淺盤上,然后將油酸薄膜的形狀用彩筆畫在玻璃上。5.將畫有油酸薄膜輪廊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)。6.根據(jù)配制的油酸酒精溶液的濃度,算出一滴溶液中純油酸的體積V。7.根據(jù)一滴油酸的體積V和薄膜的面積S,即可算出油酸薄膜的厚度,即油酸分子的大小?！緮?shù)據(jù)處理】在實驗中由d=QUOTE計算分子的直徑,V是經(jīng)過換算后一滴油酸溶液中純油酸的體積。各物理量的計算方法如下:(1)一滴油酸溶液的體積V'=QUOTE。(2)一滴油酸溶液中純油酸所占體積體積V=V'×QUOTE。(3)油酸薄層的面積S=na2(n為有效格數(shù),a為小格的邊長)。(4)分子直徑d=QUOTE。(5)注意單位的統(tǒng)一和有效數(shù)字的保留?！菊`差分析】1.油酸酒精溶液的實際濃度和理論值間存在偏差。2.一滴油酸酒精溶液的實際體積和理論值間存在偏差。3.油酸在水面上的實際分布情況和理想中的“均勻”“單分子純油酸層”間存在偏差。4.采用“互補法”(即不足半個的舍去,大于半個的算一個)計算獲得的油膜面積與實際的油膜面積間存在偏差?！咀⒁馐马棥?.在水面上撒石膏粉時,注意不要觸動淺盤中的水。2.在有機玻璃板上描繪輪廊時動作輕而迅速,眼睛視線要始終與玻璃垂直。3.油酸酒精溶液配制后不要長時間放置,以免改變濃度,產(chǎn)生誤差。4.注射器針頭高出水面的高度應(yīng)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,是由針頭中酒精揮發(fā)所致,不影響實驗效果。5.待測油酸面擴散后又收縮,要在穩(wěn)定后再畫輪廓。擴散后又收縮,有兩個原因:第一,水面受油酸滴沖擊凹陷后又恢復(fù);第二,酒精揮發(fā)后液面收縮。6.當重做實驗時,水從盤的一側(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,這樣可保持盤的清潔。7.從盤的中央加痱子粉,使粉自動擴散至均勻,這是由于以下兩種因素所致:第一,加粉后水的表面張力系數(shù)變小,不將粉粒拉開;第二,粉粒之間的排斥,這樣做比粉撒在水面上的實驗效果好。8.本實驗只要求估算分子大小,實驗結(jié)果數(shù)量級符合要求即可?！緦嶒瀯?chuàng)新】利用油膜法測分子直徑的實驗原理是在水面上形成一層油酸薄膜,測出油膜的厚度,就是油酸分子的直徑。本實驗的創(chuàng)新角度有兩個。視角一:不改變實驗裝置,油膜法測分子直徑不僅可以測量油酸分子的直徑,還可以測量其他液體分子的直徑。視角二:不改變實驗裝置,改變實驗考查的能力。做實驗的過程不僅練習學生的實驗操作技能,同時通過數(shù)據(jù)分析來提高學生對結(jié)果的分析、判斷能力。教材原型實驗【典例1】(2021·蘭州模擬)實驗所用油酸酒精溶液的濃度為每104mL溶液中含有純油酸6mL,用注射器測得1mL上述溶液為80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,用筆在玻璃板上描出油膜的輪廓形狀,再把玻璃板放在坐標紙上,其形狀和尺寸如圖所示,坐標中正方形方格的邊長為1cm。(1)油膜的面積是cm2;

(2)按以上實驗數(shù)據(jù)估測油酸分子的直徑為m(保留兩位有效數(shù)字);

(3)利用單分子油膜法可以粗測分子的大小和阿伏加德羅常數(shù)。如果已知體積為V的一滴油酸在水面上散開形成的單分子油膜的面積為S,這種油的密度為ρ,摩爾質(zhì)量為M,則阿伏加德羅常數(shù)的表達式為。

創(chuàng)新型實驗類型一不變裝置變目的(測量植物油的分子直徑)【典例2】(2021·邯鄲模擬)防疫停課期間,小剛在家用搪瓷碗、適量溫水、植物油、酒精、細石膏粉、坐標紙、彩筆等估測分子的大小,他將0.1mL的植物油溶于酒精,制成250mL的植物油酒精溶液,用注射器測得1.0mL上述溶液有100滴,現(xiàn)取一滴該溶液滴在水面上,將油膜形狀畫在邊長為1.0cm的方格紙上,算出完整的方格有67個,大于半格的有14個,小于半格的有19個。則:(1)讓植物油盡可能地在水面上散開,則形成的油膜可視為單分子油膜,這層油膜的厚度可視為植物油分子的。

(2)利用上述具體操作中的有關(guān)數(shù)據(jù)可知一滴植物油酒精溶液含植物油為m3,求得的植物油分子直徑為m(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)。

類型二不變裝置變考查能力(驗證數(shù)據(jù)正確性)【典例3】(2021·萍鄉(xiāng)模擬)在“用油膜法估測油酸分子的大小”實驗中,已知一滴油酸酒精溶液中純油酸的體積為V油酸,配制的油酸酒精溶液中,純油酸與溶液體積之比為1∶500,1mL溶液有250滴,那么1滴溶液的體積是mL,所以一滴溶液中純油酸體積為V油酸=cm3。若實驗中測得結(jié)果如表所示,請根據(jù)所給數(shù)據(jù)填寫出空白處的數(shù)值,并與公認的油酸分子長度值L0=1.12×10-10m作比較,判斷此實驗是否符合數(shù)量級的要求。

次數(shù)S/cm2L=(QUOTEVSVS)/cm平均值QUOTE1533

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答案解析教材原型實驗【典例1】(2021·蘭州模擬)實驗所用油酸酒精溶液的濃度為每104mL溶液中含有純油酸6mL,用注射器測得1mL上述溶液為80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,用筆在玻璃板上描出油膜的輪廓形狀,再把玻璃板放在坐標紙上,其形狀和尺寸如圖所示,坐標中正方形方格的邊長為1cm。(1)油膜的面積是cm2;

(2)按以上實驗數(shù)據(jù)估測油酸分子的直徑為m(保留兩位有效數(shù)字);

(3)利用單分子油膜法可以粗測分子的大小和阿伏加德羅常數(shù)。如果已知體積為V的一滴油酸在水面上散開形成的單分子油膜的面積為S,這種油的密度為ρ,摩爾質(zhì)量為M,則阿伏加德羅常數(shù)的表達式為。

【解析】(1)根據(jù)圖中描繪的輪廓,不足半格舍去,大于半格算一格,共計115個方格,所以油膜的面積為115×1cm×1cm=115cm2。(2)每滴油酸酒精溶液中含有純油酸的體積是:V=QUOTE×QUOTEmL=7.5×10-6mL估測油酸分子的直徑為d=QUOTE=QUOTEm≈6.5×10-10m(3)單個油酸分子的直徑為d0=QUOTE單個油酸分子的體積為V0=QUOTEπ(QUOTE)3=QUOTEπQUOTE=QUOTE摩爾體積為Vmol=QUOTE則阿伏加德羅常數(shù)為NA=QUOTE=QUOTE。答案:(1)115(或116)(2)6.5×10-10(3)NA=QUOTE創(chuàng)新型實驗類型一不變裝置變目的(測量植物油的分子直徑)【典例2】(2021·邯鄲模擬)防疫停課期間,小剛在家用搪瓷碗、適量溫水、植物油、酒精、細石膏粉、坐標紙、彩筆等估測分子的大小,他將0.1mL的植物油溶于酒精,制成250mL的植物油酒精溶液,用注射器測得1.0mL上述溶液有100滴,現(xiàn)取一滴該溶液滴在水面上,將油膜形狀畫在邊長為1.0cm的方格紙上,算出完整的方格有67個,大于半格的有14個,小于半格的有19個。則:(1)讓植物油盡可能地在水面上散開,則形成的油膜可視為單分子油膜,這層油膜的厚度可視為植物油分子的。

(2)利用上述具體操作中的有關(guān)數(shù)據(jù)可知一滴植物油酒精溶液含植物油為m3,求得的植物油分子直徑為m(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)。

【解析】(1)這種估測方法是將每個分子視為球體,讓植物油盡可能在水面散開,形成的油膜可視為單分子油膜,這層油膜的厚度可視為植物油分子的直徑;(2)一滴植物油酒精溶液含純植物油體積為V=QUOTE×QUOTEmL=4.0×10-12m3根據(jù)題意,完整的方格有67個,大于半格的有14個,小于半格的有19個,根據(jù)大于半格算一格計算,超過半格的方格個數(shù)為n=67+14=81則油膜面積為S=81×1cm×1cm=81cm2=8.1×10-3m2植物油在水面上形成單分子油膜,則植物油分子直徑為d=QUOTE=QUOTEm≈4.9×10-10m。答案:(1)直徑(2)4.0×10-124.9×10-10類型二不變裝置變考查能力(驗證數(shù)據(jù)正確性)【典例3】(2021·萍鄉(xiāng)模擬)在“用油膜法估測油酸分子的大小”實驗中,已知一滴油酸酒精溶液中純油酸的體積為V油酸,配制的油酸酒精溶液中,純油酸與溶液體積之比為1∶500,1mL溶液有250滴,那么1滴溶液的體積是mL,所以一滴溶液中純油酸體積為V油酸=cm3。若實驗中測得結(jié)果如表所示,請根據(jù)所給數(shù)據(jù)填寫出空白處的數(shù)值,并與公認的油酸分子長度值L0=1.12×10-10m作比較,判斷此實驗是否符合數(shù)量級的要求。

次數(shù)S/cm2L=(QUOTEVSVS)/cm平均值QUOTE1533

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【解析】由題給條件得,1滴溶液的體積為V溶液=QUOTEmL,因為QUOTE=QUOTE,故1滴溶液中油酸體積為V油酸=QUOTEV溶液=Q