如何设计一个说明分子大小的实验

油膜法
1.理解障碍
(1)借比法理解"油膜法"的原理.
油膜法是用来估测分子直径的一种方法.类似于取一定量的小米,测出它的体积V,然后把它平摊在桌面上,上下不重叠,一粒紧挨一粒,量出这些米粒占据桌面的面积S,从而计算出来米粒的直径d=V/S.这只是一个物理模型,事实上,分子的形状非常复杂,并不真是个小球,而且分子间存在空隙.
(2)模型法理解物质的微观结构.
物理上有许多模型,它可分为:①物体模型,如质点,恒压电源等;②状态模型,如静止,匀速运动等;③过程模型,如气体的等温过程等.物理上的"理想模型",就是为了便于研究问题而建立的一种高度抽象的理想客体或理想过程."理想模型"是现实世界中找不到的东西,但是,"理想模型"是以客观实在为原型的,是对客观事物或过程的一种近似反映,它突出反映了客观事物或过程的某一主要矛盾或主要特性,完全忽略了其他方面的矛盾或特性.物理学中创建的"理想模型",叫做"物理模型",也简称模型.运用"理想模型"及其理论解决问题的方法就是模型法.
物质微观结构的三种理想模型分别是:①把分子视为球形模型[V分=4π(d/2) 3/3=πd3/6];②把分子视为立方体模型(V分=d3);③每个气体分子位于相同一个立方体的中心模型(图11—1—1,把气体分子理想地假设为:分子均匀分布,并且每个分子所占有的空间为相同的正立方体,气体分子在立方体的中心.分子的平均间距等于正立方体的边长L,即d=L).
图11—1—1
2.解题障碍
微观量的计算,一般要用油膜法和估算法.计算微观量,一般要涉及宏观量和阿伏加德罗常数.
(1)油膜法求分子的直径.
将油膜视为单分子油膜,不考虑各油分子间的间隙,油膜分子视为球形,油分子的直径等于油膜厚度.油分子的直径
d=
[例1]将1 cm3的油酸溶于酒精,制成200 cm3的油酸酒精溶液.已知1 cm3的溶液有50滴,现取1滴油酸酒精溶于水,油酸在水面上形成一单分子薄层,已测出这一薄层的面积为0.2 m2,由此可估算油酸分子的直径为_______m.
解析:1 cm3油酸酒精溶液中油酸的体积V=×10-6 m3,1滴油酸酒精溶液中油酸体积V油酸=V/50=m3,则油酸分子的直径d=m=5×10-10 m.
点评:除油膜法计算分子大小外,如果在已知分子的体积V的情况下,对固体,液体还有方法:①当分子视为球体时,有V=4π(d/2)3/3=πd3/6,d=;②当分子视为立方体时,d=.对气体,因分子的间距很大,不考虑气体分子的大小.
(2)估算法求微观量.
估算是从已知条件出发,运用与题设条件密切相关的物理概念,规律和常数,对要求的问题作出合理的科学的估算的思维方法.
[例2]一热水瓶中水的质量约为2.2 kg,它所包含的水分子数目约为______(取二位有效数字,阿伏加德罗常数取6.02×1023 mol-1).
解析:水的摩尔质量M=18×10-3 kg/mol,则2.2 kg水所含水分子数N=(m/M)NA=7.3×1025.
点评:解估算题的依据,就是一些物理理论,公式和一些常数,常识等.本节估算题常用的理论依据:对固体,液体而言,分子体积V分=V(物质体积)/N(分子总数),其中V=m(物质质量)/ρ(密度);VA(摩尔体积)=M(摩尔质量)/ρ;某物质的分子数N=nNA=(m/M)NA=(V/VA)NA.若物质是气体,则VA=22.4 L,当未给V的压强和温度时,则把V就近似认为是标准状况下的体积.d(分子直径)=V(油滴体积)/S(单分子油膜面积).常数或常识有阿伏加德罗常数,摩尔质量等.
学后一忆?
本节的重点是掌握油膜法粗测分子的大小,记住一般分子直径的数量级,能根据宏观量和阿伏加德罗常数计算微观量.本节常见的题型为选择题,定性分析较多,定量计算较少. 命题热点是粗测分子大小的油膜法.