Опыт рэлея по определению размеров молекул кратко
Обновлено: 07.07.2024
Когда говорят о молекулах, их обычно считают маленькими упругими твердыми шариками. Следовательно, знать размер молекул, значит знать их радиус или диаметр.
Несмотря на малость молекулярных размеров, физики сумели разработать множество способов их определения. В одном используется свойство некоторых (очень немногих) жидкостей растекаться в виде пленки толщиной в одну молекулу. Вдругом, размер частицы определяется с помощью сложного прибора – ионного проектора.
Строение молекул изучают различными экспериментальными методами. Электронография, нейтронография и рентгеновский структурный анализ позволяют получать непосредственную информацию о структуре молекул. Электронографии, метод, исследующий рассеяние электронов на пучке молекул в газовой фазе, позволяет рассчитать параметры геометрической конфигурации для изолированных сравнительно простых молекул. Нейтронография и рентгеновский структурный анализ ограничены анализом структуры молекул либо отдельных упорядоченных фрагментов в конденсированной фазе. Рентгенографические исследования кроме указанных сведений дают возможность получить количественные данные о пространственном распределении электронной плотности в молекулах.
Спектроскопические методы основаны на индивидуальности спектров химических соединений, которая обусловлена характерным для каждой молекулы набором состояний и отвечающих им энергетических уровней. Эти методы позволяют проводить качественный и количественный спектральный анализ веществ.
Разнообразную информацию о строении и свойствах молекул дает изучение их поведения во внешних электрических и магнитных полях.
Существуют, однако, очень простые способы определения размеров молекул:
1 способ. Основан на том, что молекулы вещества, когда оно находится в твердом или жидком состоянии, можно считать плотно прилегающими друг к другу. В таком случае для грубой оценки можно считать, что объем V некоторой массы m вещества просто равен сумме объемов содержащихся в нем молекул. Тогда объем одной молекулы мы получим, разделив объем V на число молекул N.
Число молекул в теле массой m равно, как известно, , где М — молярная масса вещества NA — число Авогадро. Отсюда объем V0 одной молекулы определяется из равенства
В это выражение входит отношение объема вещества к его массе. Обратное же отношение есть плотность вещества, так что .
Плотность практически любого вещества можно найти в доступных всем таблицах. Молярную массу легко определить, если известна химическая формула вещества.
Объем одной молекулы, если считать ее шариком, равен , где r - радиус шарика. Поэтому , откуда мы и получаем выражение для радиуса молекулы:
Первый из этих двух корней — постоянная величина, равная ≈ 7,4 · 10 -9 моль 1/3 , поэтому формула для r принимает вид .
Например, радиус молекулы воды, вычисленный по этой формуле, равен rВ ≈ 1,9 · 10 -10 м.
2 способ. Метод Ленгмюра и Дево. В данном методе исследуемая жидкость должна растворяться в спирте (эфире) и быть легче воды, не растворяясь в ней. При попадании капли раствора на поверхность воды спирт растворяется в воде, а исследуемая жидкость образует пятно площадью S и толщиной d (порядка диаметра молекул).
Если допустить, что молекула имеет форму шара, то объем одной молекулы равен:
где d – молекулы.
Необходимо определить диаметр молекулы d. В микропипетку набрать 0,5 мл раствора и, расположив ее над сосудом, отсчитать число капель n, содержащихся в этом объеме. Проделав опыт несколько раз, найти среднее значение числа капель в объеме 0,5 мл, а затем подсчитать объём исследуемой жидкости в капле: , где n – число капель в объеме 0,5 мл, 1:400 – концентрация раствора.
В ванну налить воду толщиной 1 – 2 см. Насыпать тальк тонким слоем на лист бумаги, ударяя слегка пальцем по коробочке. Расположив лист бумаги выше и сбоку от ванны на расстоянии 10 – 20 см, тальк сдуть с бумаги. На поверхность воды в ванне из пипетки капнуть одну каплю раствора. Линейкой измерить, средний диаметр образовавшегося пятна D и подсчитываю его площадь. Опыт повторить 2- 3 раза, а затем подсчитать диаметр молекул d.
3 способ. Определение диаметра молекулы. Будем считать, что капля масла растекается по воде до тех пор, пока толщина масляной плёнки не станет равной одной молекуле, тогда диаметр одной молекулы можно определить по формуле: d=V/S, где V – объём капли масла, S - площадь масленого пятна. Объём капли масла можно определить следующим образом: накапать 100 капель из капилляра в сосуд и измерить массу масла в нём. После этого массу, выраженную в килограммах, поделить на плотность масла, которую можно взять из таблицы плотности некоторых веществ (плотность масла растительного 800 кг/м 3 ). Затем полученный результат поделить на количество капель. Объём капли можно определить также с помощью мерного цилиндра: накапать масло в цилиндр, измерить его объём в см 3 и перевести в м 3 , для чего поделить на 1000000, затем на количество капель масла. После того, как объём капли стал известен нужно капнуть одну каплю масла на поверхность воды, которая налита в широкий сосуд. Для ускорения реакции предварительно немного нужно нагреть воду – приблизительно до 40 0 С. Масло начнёт растекаться, и в результате получится круглое пятно. После того, как пятно перестанет расширяться, с помощью линейки измерить его диаметр и рассчитать площадь пятна по формуле: .
Ход эксперимента:
1. Определение объёма капли растительного масла.
В мерный цилиндр (мензурку) накапать 190 капель масла и определить объём их. Используя формулу для определения объёма1 капли масла из метода Ленгмюра и Дево (2 способ), рассчитать объем капли.
2. Определение площади масляного пятна.
Для того, чтобы получить масляное пятно провести несколько экспериментов.
В ванну размером 40×30 см необходимо налить воду и капнуть 1 каплю растительного масла, а затем наблюдать, как расплывается пятно, когда оно перестанет расплываться – измерить его диаметр.
| № | Условия проведения эксперимента | Что увидели | Диаметр пятна (D, см) |
| 1 | В ванну налили холодную воду | ||
| 2 | Воду нагрели до 40 0 С и на поверхность насыпали тальк (измельчённый мел) | ||
| 3 | Воду нагрели до 40 0 С и добавили перманганат калия. |
Для определения площади пятна использовать формулу: .
3. Определение диаметра молекулы растительного масла.
Когда говорят о молекулах, их обычно считают маленькими упругими твердыми шариками. Следовательно, знать размер молекул, значит знать их радиус или диаметр.
Несмотря на малость молекулярных размеров, физики сумели разработать множество способов их определения. В одном используется свойство некоторых (очень немногих) жидкостей растекаться в виде пленки толщиной в одну молекулу. Вдругом, размер частицы определяется с помощью сложного прибора – ионного проектора.
Строение молекул изучают различными экспериментальными методами. Электронография, нейтронография и рентгеновский структурный анализ позволяют получать непосредственную информацию о структуре молекул. Электронографии, метод, исследующий рассеяние электронов на пучке молекул в газовой фазе, позволяет рассчитать параметры геометрической конфигурации для изолированных сравнительно простых молекул. Нейтронография и рентгеновский структурный анализ ограничены анализом структуры молекул либо отдельных упорядоченных фрагментов в конденсированной фазе. Рентгенографические исследования кроме указанных сведений дают возможность получить количественные данные о пространственном распределении электронной плотности в молекулах.
Спектроскопические методы основаны на индивидуальности спектров химических соединений, которая обусловлена характерным для каждой молекулы набором состояний и отвечающих им энергетических уровней. Эти методы позволяют проводить качественный и количественный спектральный анализ веществ.
Разнообразную информацию о строении и свойствах молекул дает изучение их поведения во внешних электрических и магнитных полях.
Существуют, однако, очень простые способы определения размеров молекул:
1 способ. Основан на том, что молекулы вещества, когда оно находится в твердом или жидком состоянии, можно считать плотно прилегающими друг к другу. В таком случае для грубой оценки можно считать, что объем V некоторой массы m вещества просто равен сумме объемов содержащихся в нем молекул. Тогда объем одной молекулы мы получим, разделив объем V на число молекул N.
Число молекул в теле массой m равно, как известно, , где М — молярная масса вещества NA — число Авогадро. Отсюда объем V0 одной молекулы определяется из равенства
В это выражение входит отношение объема вещества к его массе. Обратное же отношение есть плотность вещества, так что .
Плотность практически любого вещества можно найти в доступных всем таблицах. Молярную массу легко определить, если известна химическая формула вещества.
Объем одной молекулы, если считать ее шариком, равен , где r - радиус шарика. Поэтому , откуда мы и получаем выражение для радиуса молекулы:
Первый из этих двух корней — постоянная величина, равная ≈ 7,4 · 10 -9 моль 1/3 , поэтому формула для r принимает вид .
Например, радиус молекулы воды, вычисленный по этой формуле, равен rВ ≈ 1,9 · 10 -10 м.
2 способ. Метод Ленгмюра и Дево. В данном методе исследуемая жидкость должна растворяться в спирте (эфире) и быть легче воды, не растворяясь в ней. При попадании капли раствора на поверхность воды спирт растворяется в воде, а исследуемая жидкость образует пятно площадью S и толщиной d (порядка диаметра молекул).
Если допустить, что молекула имеет форму шара, то объем одной молекулы равен:
где d – молекулы.
Необходимо определить диаметр молекулы d. В микропипетку набрать 0,5 мл раствора и, расположив ее над сосудом, отсчитать число капель n, содержащихся в этом объеме. Проделав опыт несколько раз, найти среднее значение числа капель в объеме 0,5 мл, а затем подсчитать объём исследуемой жидкости в капле: , где n – число капель в объеме 0,5 мл, 1:400 – концентрация раствора.
В ванну налить воду толщиной 1 – 2 см. Насыпать тальк тонким слоем на лист бумаги, ударяя слегка пальцем по коробочке. Расположив лист бумаги выше и сбоку от ванны на расстоянии 10 – 20 см, тальк сдуть с бумаги. На поверхность воды в ванне из пипетки капнуть одну каплю раствора. Линейкой измерить, средний диаметр образовавшегося пятна D и подсчитываю его площадь. Опыт повторить 2- 3 раза, а затем подсчитать диаметр молекул d.
3 способ. Определение диаметра молекулы. Будем считать, что капля масла растекается по воде до тех пор, пока толщина масляной плёнки не станет равной одной молекуле, тогда диаметр одной молекулы можно определить по формуле: d=V/S, где V – объём капли масла, S - площадь масленого пятна. Объём капли масла можно определить следующим образом: накапать 100 капель из капилляра в сосуд и измерить массу масла в нём. После этого массу, выраженную в килограммах, поделить на плотность масла, которую можно взять из таблицы плотности некоторых веществ (плотность масла растительного 800 кг/м 3 ). Затем полученный результат поделить на количество капель. Объём капли можно определить также с помощью мерного цилиндра: накапать масло в цилиндр, измерить его объём в см 3 и перевести в м 3 , для чего поделить на 1000000, затем на количество капель масла. После того, как объём капли стал известен нужно капнуть одну каплю масла на поверхность воды, которая налита в широкий сосуд. Для ускорения реакции предварительно немного нужно нагреть воду – приблизительно до 40 0 С. Масло начнёт растекаться, и в результате получится круглое пятно. После того, как пятно перестанет расширяться, с помощью линейки измерить его диаметр и рассчитать площадь пятна по формуле: .
Ход эксперимента:
1. Определение объёма капли растительного масла.
В мерный цилиндр (мензурку) накапать 190 капель масла и определить объём их. Используя формулу для определения объёма1 капли масла из метода Ленгмюра и Дево (2 способ), рассчитать объем капли.
2. Определение площади масляного пятна.
Для того, чтобы получить масляное пятно провести несколько экспериментов.
В ванну размером 40×30 см необходимо налить воду и капнуть 1 каплю растительного масла, а затем наблюдать, как расплывается пятно, когда оно перестанет расплываться – измерить его диаметр.
Все вещества состоят из отдельных мельчайших частиц : молекул и атомов.
Основоположником идеи дискретного строения вещества (т.е. состоящего из отдельных частиц) считается древнегреческий философ Демокрит, живший около 470 года до новой эры. Демокрит считал, что все тела состоят из бесчисленного количества сверхмалых, невидимых глазу, неделимых частиц. "Они бесконечно разнообразны, имеют впадины и выпуклости, которыми сцепляются, образуя все материальные тела, а в природе существуют только атомы и пустота.
Догадка Демокрита была надолго забыта. Однако, его взгляды на строение вещества дошли до нас благодаря римскому поэту Лукрецию Кару: ". все вещи, как мы замечаем, становятся меньше, И как бы тают они в течение долгого века. "
Атомы.
Атомы очень малы. Их невозможно разглядеть не только простым глазом, но и с помощью даже самого мощного оптического микроскопа.
Глаз человека не способен разглядеть атомы и промежутки между ними, поэтому любое вещество кажется нам сплошным.
В 1951 году Эрвин Мюллер изобрёл ионный микроскоп, позволивший в деталях разглядеть атомную структуру металла.
Атомы различных химических элементов отличаются друг от друга. Различия атомов элементов можно определить по периодической таблице Менделеева.
Молекулы.
Молекула - это мельчайшая частица вещества, обладающая свойствами этого вещества. Так, молекула сахара - сладкая, а соли - соленая.
Молекулы состоят из атомов.
Размеры молекул ничтожно малы.
Как увидеть молекулу? - с помощью электронного микроскопа.
Как добыть молекулу из вещества? - механическим дроблением вещества. Каждому веществу соответствует определеенный вид молекул. У разных веществ молекулы могут состоять из одного атома (инертные газы) или из нескольких одинаковых или различных атомов, или даже из сотен тысяч атомов (полимеры). Молекулы различных веществ могут иметь форму треугольника, пирамиды и других геометрических фигур, а также быть линейными.
Молекулы одного и того же вещества во всех агрегатных состояниях одинаковы.
Между молекулами в веществе существуют промежутки. Доказательствами существования промежутков служат изменение объема вещества, т.е. расширение и сжатие вещества при изменении температуры
Опыт Роберта Рэлея.
Размеры молекул были определены во многих опытах. Один из них провел английский ученый Роберт Рэлей.
В чистый широкий сосуд налили воду и на ее поверхность поместили каплю оливкового масла. Капля растеклась по поверхности воды и образовала круглую пленку. Постепенно площадь пленки увеличивалась, но затем растекание прекратилось и площадь перестала изменяться. Релей предположил, что молекулы расположились в один ряд, т.е. толщина пленки стала равна как раз размеру одной молекулы, и решил определить ее толщину. При этом, конечно, нужно учесть, что объем пленки равен объему капли.
По тем данным, которые были получены в опыте Рэлея, рассчитаем толщину пленки и узнаем, чему равен линейный размер молекулы масла. Капля имела объем 0,0009 см3, а площадь пленки, образовавшейся из капли, была равна 5500 см2. Отсюда толщина пленки:
Экспериментальное задание:
Проделать в домашних условиях опыт по определению размеров молекул масла.
Для опыта удобно воспользоваться чистым машинным маслом. Сначала определите объем одной капли масла. Придумайте сами, как это сделать при помощи пипетки и мензурки (можно воспользоваться мензуркой, которой отмеривают лекарства).
Налейте в тарелку воды и на ее поверхность поместите каплю масла. Когда капля растечется, измерьте диаметр пленки линейкой, положив ее на края тарелки. Если поверхность пленки не будет иметь форму круга, то или подождите, когда она примет такую форму, или сделайте несколько измерений и определите ее средний диаметр. Затем вычислите площадь пленки и ее толщину.
Какое число вы получили? Во сколько раз оно отличается от действительных размеров молекулы масла?
Помогаем учителям и учащимся в обучении, создании и грамотном оформлении исследовательской работы и проекта.
Темы исследований
Оформление работы
Наш баннер
Сайт Обучонок содержит исследовательские работы и проекты учащихся, темы творческих проектов по предметам и правила их оформления, обучающие программы для детей.
Код баннера:
Исследовательские работы и проекты
Способы определения размеров молекул
Определение размеров молекул
1 способ. Основан на том, что молекулы вещества, когда оно находится в твердом или жидком состоянии, можно считать плотно прилегающими друг к другу. В таком случае для грубой оценки можно считать, что объем V некоторой массы m вещества просто равен сумме объемов содержащихся в нем молекул. Тогда объем одной молекулы мы получим, разделив объем V на число молекул N.
Число молекул в теле массой m равно, как известно,
,
где М — молярная масса вещества NA — число Авогадро.
Отсюда объем V0 одной молекулы определяется из равенства
В это выражение входит отношение объема вещества к его массе.
Обратное же отношение
есть плотность вещества,
так что
Плотность практически любого вещества можно найти в доступных всем таблицах. Молярную массу легко определить, если известна химическая формула вещества.
Объем одной молекулы, если считать ее шариком, равен
,
где r - радиус шарика.
Поэтому
,
откуда мы и получаем выражение для радиуса молекулы:
Первый из этих двух корней — постоянная величина, равная ≈ 7,4 · 10-9 моль 1/3, поэтому формула для r принимает вид .
Например, радиус молекулы воды, вычисленный по этой формуле, равен rВ ≈ 1,9 · 10-10 м.
2 способ. Метод Ленгмюра и Дево. В данном методе исследуемая жидкость должна растворяться в спирте (эфире) и быть легче воды, не растворяясь в ней. При попадании капли раствора на поверхность воды спирт растворяется в воде, а исследуемая жидкость образует пятно площадью S и толщиной d (порядка диаметра молекул).
Если допустить, что молекула имеет форму шара, то объем одной молекулы равен:
где d – молекулы.
Необходимо определить диаметр молекулы d. В микропипетку набрать 0,5 мл раствора и, расположив ее над сосудом, отсчитать число капель n, содержащихся в этом объеме. Проделав опыт несколько раз, найти среднее значение числа капель в объеме 0,5 мл, а затем подсчитать объём исследуемой жидкости в капле: , где n – число капель в объеме 0,5 мл, 1:400 – концентрация раствора.
В ванну налить воду толщиной 1 – 2 см. Насыпать тальк тонким слоем на лист бумаги, ударяя слегка пальцем по коробочке. Расположив лист бумаги выше и сбоку от ванны на расстоянии 10 – 20 см, тальк сдуть с бумаги. На поверхность воды в ванне из пипетки капнуть одну каплю раствора. Линейкой измерить, средний диаметр образовавшегося пятна D и подсчитываю его площадь. Опыт повторить 2- 3 раза, а затем подсчитать диаметр молекул d.
3 способ. Определение диаметра молекулы. Будем считать, что капля масла растекается по воде до тех пор, пока толщина масляной плёнки не станет равной одной молекуле, тогда диаметр одной молекулы можно определить по формуле: d=V/S, где V – объём капли масла, S - площадь масленого пятна.
Объём капли масла можно определить следующим образом: накапать 100 капель из капилляра в сосуд и измерить массу масла в нём. После этого массу, выраженную в килограммах, поделить на плотность масла, которую можно взять из таблицы плотности некоторых веществ (плотность масла растительного 800 кг/м3).
Затем полученный результат поделить на количество капель. Объём капли можно определить также с помощью мерного цилиндра: накапать масло в цилиндр, измерить его объём в см3 и перевести в м3, для чего поделить на 1000000, затем на количество капель масла. После того, как объём капли стал известен нужно капнуть одну каплю масла на поверхность воды, которая налита в широкий сосуд.
Для ускорения реакции предварительно немного нужно нагреть воду – приблизительно до 400С. Масло начнёт растекаться, и в результате получится круглое пятно. После того, как пятно перестанет расширяться, с помощью линейки измерить его диаметр и рассчитать площадь пятна по формуле:
Практическое получение наночастиц
В современном мире в связи с общей тенденцией к миниатюризации большими темпами стала развиваться такая наука, как нанотехнология. Методы нанотехнологии позволяют получить принципиально новые устройства и материалы с характеристиками, значительно превосходящими их современный уровень, что весьма важно для интенсивного развития многих областей техники, биотехнологии, медицины, охраны окружающей среды и др.
Ход работы:
1) Определение объёма капли
=14,13 мм3;
Молекулы очень малы. В разное время для определения размера молекул ставились разнообразные эксперименты. Один из них провёл английский учёный Рэлей.
В чистый широкий сосуд наливают воду и на её поверхность помещают каплю оливкового масла. Капля растекается но поверхности воды, и образуется круглая плёнка.
Постепенно площадь плёнки увеличивается, но затем растекание прекращается, и площадь больше не изменяется.
Рэлей предположил, что молекулы масла в этом опыте располагаются в один ряд, т. е. толщина плёнки совпадает с размером одной молекулы. Толщина пленки (или диаметр молекулы) в данном случае равна отношению объёма капли к площади плёнки. Учитывая значения, полученные в этом опыте, получаем
Когда говорят о размерах молекул или атомов, то в качестве единицы длины используют не метр, а ангстрем (обозначается А), равный 10 10 м, или нанометр, равный 10 9 м. Например, размер молекулы воды равен примерно 3 ангстремам (3 А), а размер атома золота равен примерно 1 ангстрему (1 А).
Размеры молекул и атомов очень малы. Если опоясать земной шар верёвкой вдоль экватора, то её длина окажется во столько раз больше ширины вашей ладони, во сколько раз ширина ладони больше диаметра атома. Интересен и такой пример: известно, что на специальном оборудовании можно получить листки золота толщиной менее 0.01 мкм. Но даже у такого тонкого листка количество атомных слоёв составляет порядка сотни.
КАК УВИДЕТЬ МОЛЕКУЛЫ И АТОМЫ
Из-за очень малых размеров молекулы нельзя увидеть невооружённым глазом или в обычные микроскопы. Только при помощи электронного микроскопа удалось сфотографировать наиболее крупные из них.
Сами атомы также не являются неделимыми частицами. Современные технологии позволяют расщеплять атомы и создавать новые элементы.
Человечество подошло к новой эре — эре нанотехнологий. Нанотехнологии — это область знаний, позволяющая создавать материалы из относительно небольшого числа атомов. Физики в настоящее время научились работать с отдельными атомами и создавать из них новые материалы, обладающие качественно новыми физическими, химическими и биологическими свойствами. Как ожидается, нанотехнологии позволят решить многие важные для человечества задачи.
Примером одной из наноструктур является фуллерен, который получил своё название в честь архитектора Б. Фуллера, придумавшего подобные структуры для использования их в apxитектуpe.
Фуллерен внешне напоминает футбольным мяч, который состоит из заплаток пяти и шестиугольной формы. Бели представить, что в вершинах этого многогранника находятся атомы углерода, то получится самый стабильный фуллерен С60. Удивительные свойства молекулы фуллерена, связанные с их структурой и прочностью, позволили использовать их для решения самых разных практических задач в технике и медицине.
Дмитрий Иванович Менделеев (1834 1907). Великий русский химик, открывший периодический закон химических элементов, разносторонний учёный, педагог и общественный деятель.
Джон Уильям Стретт лорд Рэлей (1842-1919). Английский физик, член Лондон с кого королевского общества. Диапазон его научных интересов был очень широк акустика, теория колебаний, оптика, электричество и т. д.
Роберт Броун (1773-1858). Английский ботаник. Основные работы посвящены морфологии и систематике растений
Читайте также: