怎样做好《用油膜法估测分子大小》的实验

1、怎样做好用油膜法估测分子大小的实验王作凯 湖南省临澧县第一中学（415200）【内容提要】做好用油膜法估测分子大小这一学生实验,能使学生对分子大小数量级为10-10m有较清晰的感性认识，并能使学生学到一种用宏观手段来研究微观问题的新方法，实验中要解决好两个关键问题，一是要在水面上形成单分子油膜，二是把油膜面积识别出来。实验成功的关键是要在水面上形成近似圆形的油膜。怎样才能在水面上形成近似圆形的油膜呢？即在实验过程中确保容器壁洁净、痱子粉薄而均匀且面积不超过浅盘内水面面积的一半、用认真细致地态度做好每一步。关键词 两个关键 洁净 薄而均匀 小于水面面积 认真细致用油膜法估测分子的大小这一学生实验

2、，是根据油酸分子C17H33COOH中的COOH对水有很强的亲合力的性质进行的，将一滴用酒精稀释过的油酸滴在水面后，油酸在水面散开，其中的酒精溶于水中，并很快挥发，而油酸分子中的C17H33冒出水面，COOH留在水中，使得油酸分子直立在水面上，形成一层单分子油膜。实验中根据一滴油酸酒精溶液中油酸的体积V和油酸在水面形成的单分子油膜的面积S，从而得到油膜厚度来估测分子大小。认真做好这一实验，不仅能使学生对分子大小及直径的数量级为-10有比较清晰的感性认识，而且更重要的是能使学生学到一种研究物理问题的新方法，即用宏观手段来研究微观问题。一、实验中要解决两个关键问题：1、 要在水面上形成单分子油膜。

3、如何才能形成单分子油膜？虽然油酸分子中的COOH对水有很强的亲合力，但将一滴未稀释的油酸滴入水中时，即使给他足够大的水面，也不能迅速形成单分子油膜。实际上一滴纯油酸滴入水中后会在水面上形成小的液体球，或者是零星的有彩色的小油花，小油花说明了油膜能够产生薄膜干涉，可以断定其厚度至少为可见光波长的1/4，一定大于100nm，肯定不是单分子油膜。为什么会是这样呢？首先由于油酸对水不是浸润液体不会溶于水，并且密度小于水，因此当它滴入水中后会漂浮在水面上。其次这时水的表面张力要拉开的是一团油酸分子，要想拉开油酸液滴，水的表面张力既要克服油酸的表面张力，又要克服油酸拉开时的粘滞力，而油酸的粘度较大，是水、

4、酒精等液体粘度的倍，水的表面张力虽然大于油酸的表面张力，但还不足以克服油酸的表面张力和粘滞力。再者虽然COOH与水有很强的亲合力，但油滴滴入水中后只有外围下部分子中的COOH才有机会与水接触，而油滴中部和上部的COOH根本没有机会与水接触，因而不能迅速铺展形成单分子油膜。为了解决这一问题，实验中将油酸用挥发性极强，且既能溶于油酸又能溶于水的的酒精稀释，一般稀释浓度为二百到五百分之一，这时的油酸分子以单个分子形式存在于溶液中，这样的油酸溶液滴入水中后，由于酒精的粘度在时是，远远小于纯油酸的粘度，同时酒精的表面张力系数时是较水的张力系数时是小得多，加上这时的液滴中几百份中只有一份是油酸，主要是酒精

5、，结果既降低了油酸溶液的表面张力，也减少了油酸铺开时的粘滞力，使得油酸分子在水的表面张力的作用下迅速被拉开，并在亲水性极强的COOH作用下保证了单分子油膜的迅速形成。2、 要把油膜的面积识别出来。如果我们将一滴稀释后的油酸酒精溶液直接滴入水中，由于水是无色的，单分子油膜也是无色的并且很薄，我们就无法直接用眼睛观察到油层。为此，在实验时先在水面上撒上痱子粉，油滴滴在粉膜上后，推开粉膜，在水面上形成单分子油膜，油膜面积通过粉膜轮廓显现出来。二、如何做好该实验：该实验原理并不难理解，学生很容易接受，但该实验成功的难度较大，成功的关键在于这个单分子油膜面能否形成，形状是否规则，也就是是否近似圆形。但实

6、验中得到满意的近似圆形的油膜很难，学生常常得到的是如下图所示的锯齿形油膜面，这样的油膜面积简直是无法测量，即使勉强估测出这个面积也会产生较大误差。如何得到满意的油膜，准确地做好该实验，我通过反复实验觉得应注意以下几点。1. 确保实验中容器器壁洁净油酸酒精溶液滴在水面上后将会很快展开，在展开过程中各个方向对它的阻力是否一样，直接影响到油膜的形状。而容器壁是否洁净是影响阻力各向同性的一个重要因素，因此在容器确定后容器的清洁与否是实验成功的必要保证。为此我们要求学生实验前和实验后都用的溶液清洗浅盘，充分除去油污、粉尘，使容器的清洁得到充分的保证。2. 确保痱子粉薄而均匀、粉膜面积小于水面面积实验过程

7、中的主要工作是围绕能在水面上形成单分子油膜进行的，油酸酒精溶液滴入水中后，一要使油酸能充分扩展开，二要使形成的单分子油膜轮廓能清晰显现。在水面上加入痱子粉是起显影剂的作用，单分子油酸薄膜形成后，通过痱子粉将油膜的边界线显现出来。良好的粉膜既要有利于单分子油膜的形成，又要能将油膜轮廓清晰显现。怎样才能扑好痱子粉膜呢？（1）粉膜面积要小于浅盘内水面面积。因为当油酸酒精溶液滴入水中后，由于水的表面张力系数远远大于油酸的表面张力系数和油酸的粘滞力，粉膜就会迅速被油膜“排开”，但是粉膜在“排开”过程中一旦碰到容器壁，就会给这一“排开”过程带来不小的阻力，为了减小这一阻力，在扑粉时粉膜的面积应小于水面面积

8、，给粉膜的“排开”留有空间，根据我们反复实验，我要求粉膜面积不超过浅盘内水面面积的一半。（2）粉膜要撒得薄而均匀。如何撒粉，粉膜撒到什么程度，教材上要求薄而均匀。究尽到什么程度才算薄而均匀？学生在实验时对此心里没有底，往往考虑薄来又生怕不匀，总担心有哪里不匀，因而不停地在水面上撒粉，结果看似匀了但又很厚，实际上是厚而匀，这样在滴入油酸后就不可能得到满意的油膜面。为此，我认为关键是要教给学生粉撒到什么程度。通过反复实验，我觉得这个程度用一句话来讲就是“似有似无”，在撒粉之前教师必须事先告诉学生，使之心中有数。如何做到，材料和工具是成功的先决条件。首先要确保痱子粉细而干燥，然后撒粉时每组准备一块的

9、海绵（最好是密度大些的橡胶海绵）并确保干燥。实验时取适量痱子粉放在海绵正中，然后将海绵围着粉反复对折，使粉充分进入海绵内，并且海绵上看不到明显的痱子粉，然后一手拿海绵于水面上方约左右，用另一手手指轻轻弹海绵，并根据粉撒落情况有目的的来回运动，确保粉薄而匀，最终达到“似有似无”的程度。这种撒粉的方法由于先使粉充分进入了海绵，在弹海绵的过程中由于海绵特殊的网状结构能保证从海绵出来的粉细而匀，因而能得到令人满意的粉膜。（3）在整个操作过程中要充分保证水面静止。一个没有静止的水面撒上粉后，粉就会浸入水中，成为一盘浑水，也就不可能得到满意的粉膜，从而影响实验的继续进行。3. 确保实验过程中认真细致影响这

10、一实验成功的因素是多方面的，每一步的粗心马虎都会导致实验产生较大误差，甚至前功尽弃，因此要求学生要以细致、认真的态度对待实验中的每一步。除前面讲到的容器的清洗、如何撒痱子粉外还要注意下面几点：（1）准确配制油酸酒精溶液的体积比，我选择溶液浓度是1/300，这一步最好上课前由老师事先配制好；（2）为减少油膜展开的阻力，浅盘最好选直径大于300mm的圆盘；（3）由于酒精挥发性强，在测油酸酒精溶液中有多少滴时，最好选有刻度的注射器，并以注射器上减少的滴数为准，这样能减少由于酒精的挥发带来的误差；（4）向水面滴油酸酒精溶液时不宜过高；（5）在实验过程中注意浅盘的稳定性，以确保水面静止；（6）测算油酸薄膜的面积等都必须仔细认真对待，否则就不会得到满意的实验效果。近年来由于我强调了“似有似无”这一撒粉的标准，注意粉膜面积不超过浅盘一半，学生在实验时能得到近似圆形的油膜，并能由此算出分子直径为10-10m这一数量级，符合这一要求的，由原来的一个班二十八组中一次只有二至五组，变为现在的一个班一次有二十至二十五组，甚至二十八组都能有满意的效果。由于实验的成功率提高了，学生的兴趣也来了，实验中即使有