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Ölfleckversuch

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Ölfleckversuch
Ölfleckversuch

Materialien des Ölfleckversuchs

Kurzbeschreibung
Der Ölfleckersuch dient zur Abschätzung der Größe von Atomen und Molekülen
Kategorien
Atom- und Kernphysik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Sek. II
Basiskonzept: Materie
Sonstiges
Durchführungsform Lehrerdemoexperiment, Schülergruppenexperiment, Schülerdemoexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 1
Anspruch des Aufbaus leicht
Informationen
Name: Ann Kathrin Sliwa
Kontakt: ann.sliwa@rub.de
Uni: Ruhr-Universität Bochum
Betreuer*in: Dr. Rainer Wackermann
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Der Ölfleckversuch ist eine vergleichsweise einfache Methode, um die Größe von Atomen abzuschätzen. Dabei wird die Ausbreitung von sehr dünnen Ölschichten auf einer Wasserobfläche genutzt. Jedoch bietet der Versuch keine genaue Berechnung der Atomgröße, welche bei 10-10 m[1] liegt. Sinn und Zweck ist es, mit einfachen Mitteln eine Vorstellung der Größe zu vermitteln und den Wert näherungsweise zu bestimmen.


Didaktischer Teil

Auf die Frage ob die Schülerinnen und Schüler (SuS) eine Ölschicht auf einer Wasseroberfläche, wie beispielsweise einer Pfütze an einer Tankstelle, gesehen haben, wird ein Großteil der Kinder mit ja antworten. Dies an sich scheint auch nichts spektakuläres zu sein. Jedoch wird wohl kaum einer von ihnen sagen können, wie dünn diese Schicht sein kann. Das die Schicht eine Mindestgröße, die Größe der Moleküle, besitzen muss, scheint dabei noch einsichtig. Doch wie groß ist ein Ölmolekül? Welche Größe besitzen die kleinesten Teilchen im Allgemeinen? Dies ist eine Frage, die für SuS nur schwierig zu beantworten ist. Dennoch gibt es vergleichsweise einfache Experimente, um den SuS eine bessere Vorstellung zu verschaffen. Der Ölfleckversuch bietet neben einer mathematischen Bestimmung der Größe von Molekülen auch eine Visualisierung. Die SuS können erkennen, auf was für eine Fläche ein einziger Öltropfen sich ausbreitet. Dementsprechend, und mit etwas Geometrie, wird den SuS optisch dargelegt, wie dünn diese Schicht und damit die Größe eines Teilchens ist.

Versuchsanleitung

Aufbau

Um den Ölfleckversuch durchzuführen werden folgende Materialien benötigt[2]:

  • Pipette
  • Ölsäure
  • Leichtbenzin
  • Bärlappsporen oder Schwefelpulver
  • mit Wasser gefüllte Schale
  • Lineal

Es empfielt sich eine möglichst große Schale zu verwenden, damit der Tropfen sich gut über die Oberfläche verteilen kann. Um den Versuch besser Auswerten zu können, hat sich eine mit Silikon abgedichtete Glasplatte bewährt. Zudem war es vom Vorteil Millimeterpapier unter der Glasplatte zu fixieren. Dies hat die Auswertung um einiges erleichtert.

Durchführung

Die mit Wasser gefüllte Schale wird mit Bärlappsporen oder Schwefelpulver bestreut, so dass die Oberfläche gleichmäßig bedeckt ist (s. Foto).
Mit Schwefelpulver bestreute Wasseroberfläche
Anschließend wird der Aufbau für einige Minuten stehen gelassen, bis das Wasser keine Bewegungen mehr aufweist. In dieser Zeit wird das Ölsäure-Leichtbenzin-Gemisch vorbereitet. Das Mischungsverhältnis beträgt etwa 1:1000[3] (in verschiedenen Literaturen werden unterschiedliche Angaben dazu gegeben). Ein Tropfen dieses Gemischs wird mit der Pipette auf die ruhige Wasseroberfläche getropft.

Dabei ist wichtig, dass das Volumen des Tropfens bekannt ist. Dafür werden die Tropfen gezählt, die einer bestimmten Einteilung der Pipette entspricht (in der Regel 0,5 ml oder 1 ml).

Ergebnisse

Der Tropfen breitet sich auf der Wasseroberfläche zu einem Ölfleck aus. Dabei verdrängt er das Schwefelpulver bzw. die Bärlappsporen, so dass die Größe und die Form des Flecks gut zu erkennen sind. Der Fleck verkleinert sich, wenn das Leichtbenzin verdampft[3]. Da der Ölfleck sich nicht kreisförmig ausgebreitet hat, kann der Flächeninhalt mit Hilfe des Millimeterpapieres lediglich näherungsweise bestimmt werden. Dieser Beträgt:

A=50cm2=5000mm2

Für das Volumen des Öltropfens ergibt sich mit N=57 Tropfen, die VN=1 ml entsprechen:

VTropfen=1/57 ml= 1000/57 mm3=17,54 mm3

Die Ausbreitung des Tropfens ist im folgenden Video zu sehen.

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Auswertung

Das Volumen des Tropfens entspricht dem Volumen des Gemischs. Da allerdings erst nach dem Verdampfen die Fläche bestimmt wird, wird lediglich das Volumen des Öls benötigt. Mittels des Mischverhältnisses ( 1:500, da langsam die Materialien ausgingen ) wird das Ölvolumen bestimmt.

VÖl=17,54/500 mm3= 0,035 mm3

Da nun Flächeninhalt und Volumen bekannt sind, kann die Dicke des Ölflecks, welche der Größe eines Moleküls entspricht, berechnet werden. Dazu wird V=A*h nach h umgestellt und die Werte eingesetzt.

h=V/A=0,035 mm3/5000 mm2= 7*10-6 mm= 7*10-9 m

Somit weicht der experimentell ermittelte Wert um etwa eine Zehnerpotenz vom Literaturwert ab. Wie schon zuvor beschrieben dient dieser Versuch keiner genauen Bestimmung, lediglich einer Abschätzung. Somit erhalten die Schülerinnen und Schüler eine gute Vorstellung der Größe. Dennoch fließen Messunsicherheiten in die Rechnung mit ein. So sind das Volumen und insbesondere der Flächeninhalt lediglich näherungsweise bestimmt worden.

Hinweise

Bevor der Versuch durchgeführt wird, sollten sich Gedanken über die Entsorgung des Gemischs gemacht werden. Zudem ist zu sagen, dass das Experiment etliche Versuche benötigte, um ein verwertbares Ergebnis zu erhalten. Dies könnte an der Struktur der Molküle liegen, so dass sich nicht immer eine monomolekulare Schicht bildet.Ebenso könnte die Umgebungstemperaturen Einfluss auf das Gelingen des Experiments haben. Ist es zu warm könnte das Benzin noch vor der Versuchsdurchführung verdampfen und das Mischungsverhältnis stimmt nicht. Ist es zu kalt könnte das Benzin sehr langsam verdamfen und die Messung dauert sehr lange. Weiterhin sollte darauf geachtet werden, dass die Materialien gereinigt sind um Messunsicherheiten zu minimieren. Zu dem sollte bedacht sein, dass Leichtbenzin brennbar ist. Der Versuch ist auch ohne Leichtbenzin möglich, indem lediglich ein Tropfen Ölsäure auf die Wasseroberfläche getropft wird. Jedoch zeigen sich dann größere Abweichungen zum Literaturwert.

Literatur

  1. Grehn, J., J.B. Metzlersche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart (1992) :Metzekder Physik: 2. durchgesehene Auflage
  2. LEIFI Physik http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/atomaufbau/versuche#lightbox=/themenbereiche/atomaufbau/lb/oelfleckversuch-oelfleckversuch-schuelerexperiment
  3. 3,0 3,1 Boysen, G., Cornelsen-Verlag, Berlin (2003) : Physik für Gymnasien: Gesamtband