第一章 2 实验：用油膜法估测油酸分子的大小

分子十分微小。以水为例，一个直径为10^-3 mm 左右的水珠，它的大小与细菌差不多，用肉眼无法观察，就是在这样小的水珠里，分子的个数竟比地球上人口的总数还多上好几倍！

那么，通过什么途径可以知道分子的大小呢？下面我们通过一个实验来估测分子的大小。

实验思路

为了估测油酸分子的大小，我们把 1滴油酸滴在水面上，水面上会形成一层油膜，油膜是由单层油酸分子（C₁₇H₃₃COOH）中的烃基 C₁₇H₃₃- 组成的。[1]

尽管油酸分子有着复杂的结构和形状，分子间也存在着间隙，但在估测其大小时，可以把它简化为球形处理，并认为它们紧密排布（图1.2-1）。测出油膜的厚度d，它就相当于分子的直径。

建立模型、进行合理的估算在物理学的学习和研究中是很有用的。

实验中，为了使油酸充分展开，获得一块单分子油膜，我们需要将油酸在酒精中稀释后再滴入水中。这样的油酸酒精溶液滴在水面，溶液中的酒精将溶于水并很快挥发，从而获得纯油酸形成的油膜。这里可以粗略地认为，油膜的厚度等于1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V与它在水面上摊开的面积S之比。

物理量的测量

1．测量1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V。

配制一定浓度的油酸酒精溶液[2]用注射器吸取一段油酸酒精溶液，由注射器上的刻度读取该段溶液的总体积，再把它一滴一滴地滴入烧杯中（图1.2-2），记下液滴的总滴数。用它们的总体积除以总滴数，得到1滴油酸酒精溶液的体积，再计算其所含纯油酸的体积V。

2．测量1滴油酸酒精溶液在水面上形成的油膜面积S。

在浅盘里盛上水，一只手捏住盛有爽身粉的布袋，另一只手拍打，将爽身粉均匀地撒在水面上（图1.2-3甲）。然后，用注射器向水面上滴1滴油酸酒精溶液（图1.2-3乙），油酸立即在水面散开，形成一块油膜。油膜上没有爽身粉，可以清楚地看出它的轮廓（图1.2-3丙）。待油膜形状稳定后，将事先准备好的带有坐标方格的玻璃板放在浅盘上，在玻璃板上描下薄膜的形状（图1.2-3丁）。

根据画有油膜轮廓的玻璃板上的坐标方格，计算轮廓范围内正方形的个数，不足半个的舍去，多于半个的算一个。然后，把正方形的个数乘单个正方形的面积就得到油膜的面积S。

数据分析

用1滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积V和该油膜面积S计算出油膜厚度，即油酸分子的直径

\[d = \frac{V}{S}\]

用油膜法估测油酸分子直径的大小是一种通过测量宏观量来测量微观量的方法。

大量实验结果表明，尽管所用的测定分子大小的方法不同，测出的结果也有差异，但数量级是一致的。除了一些有机物质的大分子外，多数分子大小的数量级为10^-10 m。

练习与应用

1．把一片很薄的均匀塑料薄膜放在盐水中，调节盐水的密度，使薄膜能在盐水中悬浮，此时盐水的密度为 1.2×10³ kg/m³ 。用天平测出尺寸为 10 cm×20 cm 的这种塑料薄膜的质量是36 g，请计算薄膜的厚度。

2．“用油膜法估测油酸分子的大小”实验，有两个非常巧妙的设计，请你借鉴这两个设计思路，完成以下实验：

（1）现需要在一个烧杯中倒入 0.01 g 食盐供以后做实验用，但现有的电子秤最小只能称1 g 的质量，怎么办？请定量地具体说明操作的步骤。

（2）有一小捆粗细均匀的细铁丝，要较精确地测量细铁丝的横截面积，你认为应该怎样测量？说出所需的器材和测量方法。

3．在做“用油膜法估测油酸分子的大小”实验时，每10³ mL油酸酒精溶液中有纯油酸1 mL。用注射器测得 58 滴这样的溶液为 1 mL。把1滴这样的溶液滴入盛水的浅盘里，等油膜形状稳定后，把玻璃板盖在浅盘上并描画出油膜的轮廓，如图 1.2-4 所示。图中正方形小方格的边长为 1 cm。

（1）1 滴油酸酒精溶液中含有的纯油酸的体积是多少？

（2）油膜的面积是多少？

（3）按以上数据，估算油酸分子的大小。

发布时间：2021/1/3 下午4:36:24  阅读次数：4637