Режим тренировки Edu
Баллы скрыты. Решайте по частям: открывайте подсказки и ответ только когда застряли, отмечайте решённое.В данной задаче Вам предстоит исследовать зависимость ЭДС, создаваемую гальваническими элементами от времени. Вам необходимо будет провести исследование для двух гальванических элементов (далее ГЭ):
- Zn – водный раствор CuSO
– Cu, - Fe – водный раствор CuSO
– Cu.
Погрешности в данной задаче вычислять и указывать не нужно!
1.1 Нарисуйте электрическую схему экспериментальной установки. На схеме укажите вид электрода (Zn, Cu), так же укажите какой электрод является положительным полюсом ГЭ, а какой отрицательным. *(Подсказка. Данный пункт можно выполнять в процессе наблюдения).
Нарисуй простую схему: два электрода в растворе, провода к мультиметру. Обрати внимание, какой провод мультиметра показывает «плюс» при подключении — это укажет полярность элемента.
Определи полярность по направлению измеренного напряжения и подпиши на схеме виды электродов (Zn и Cu). Мультиметр даёт знак напряжения, по которому можно отметить, какой электрод является положительным.
- Нарисуй банку с раствором и два погружённых электрода, пронумеруй контакты мультиметра.
- Подпиши каждый электрод его металлом (Zn, Cu).
- Подпиши на схеме, какой электрод имеет больший потенциал по показанию мультиметра (положительный), а какой — меньший (отрицательный).
- Убедись, что схема полностью соответствует фактической развёртке проводов и полярности, которую показал прибор (вырази полярность через показание мультиметра).
1.1 Нарисуйте электрическую схему экспериментальной установки. На схеме укажите вид электрода (Zn, Cu), так же укажите какой электрод является положительным полюсом ГЭ, а какой отрицательным. *(Подсказка. Данный пункт можно выполнять в процессе наблюдения).
1.2 Укажите начальное значение ЭДС
Проведите пробный эксперимент по исследованию второго ГЭ. Выньте пробку из стаканчика. Выньте из пробки оцинкованный гвоздь и вставьте гвоздь из обычной стали, медный электрод можно оставить тем же. Мультиметр оставьте в том же режиме измерений. Соедините клеммы мультиметра с электродами ГЭ. Включите мультиметр. После этого постарайтесь одновременно опустить электроды в стаканчик с электролитом и включить секундомер. Наблюдайте как изменяется значение ЭДС гальванического элемента с течением времени (наблюдение проведите в течение
Зафиксируй показания мультиметра сразу после погружения, в момент максимума и в конце наблюдения; осмотри цинковый электрод на предмет растворения или изменения покрытия.
Воспользуйся простым учётом показаний: отметь значения времени и соответствующие им показания ЭДС; при изменении внешнего вида цинка опиши видимую коррозию или образование осадка. Для интерпретации направься на изменение концентраций и состояния поверхности электродов (Nernst-подобная зависимость концентрации влияет на ЭДС).
- Запиши время и соответствующие показания: начальное
(сразу после погружения), (максимум) и (по окончании наблюдения). - Осмотри цинковый электрод и опиши изменения (растворение, грязь, налёт, отсутствие видимых изменений).
- Свяжи видимые изменения поверхности цинка с трендом на графике (убывание ЭДС) и укажи предположительную причину в терминах изменения поверхности/концентрации.
- Вырази в отчёте, какой вид изменения поверхности соответствует зарегистрированной динамике ЭДС.
1.2 Укажите начальное значение ЭДС
Проведите пробный эксперимент по исследованию второго ГЭ. Выньте пробку из стаканчика. Выньте из пробки оцинкованный гвоздь и вставьте гвоздь из обычной стали, медный электрод можно оставить тем же. Мультиметр оставьте в том же режиме измерений. Соедините клеммы мультиметра с электродами ГЭ. Включите мультиметр. После этого постарайтесь одновременно опустить электроды в стаканчик с электролитом и включить секундомер. Наблюдайте как изменяется значение ЭДС гальванического элемента с течением времени (наблюдение проведите в течение
1.3 Нарисуйте электрическую схему экспериментальной установки. На схеме укажите вид электрода (Fe, Cu), так же укажите какой электрод является положительным полюсом ГЭ, а какой отрицательным.
Повтори то же, что в пункте 1.1, но теперь с железным и медным электродами; сразу отметь, как меняется знак и величина показаний при подключении.
Определи полярность по показаниям мультиметра и подпиши на схеме виды электродов (Fe и Cu). Для объяснения используй понятие электродного потенциала и того, как разные металлы дают разную ЭДС в одной и той же среде.
- Нарисуй схему с банкой, двумя погружёнными электродами и проводами к мультиметру.
- Подпиши электроды как Fe и Cu и отметь, какой из них положительный и какой отрицательный по показанию прибора.
- Проверь соответствие рисунка реальной установке и зафиксируй направление тока в цепи при подключении.
- Вырази полярность через измеренное напряжение мультиметра.
1.3 Нарисуйте электрическую схему экспериментальной установки. На схеме укажите вид электрода (Fe, Cu), так же укажите какой электрод является положительным полюсом ГЭ, а какой отрицательным.
1.4 Укажите начальное значение ЭДС
Зафиксируй показания при трёх моментах: сразу после погружения, в момент максимума и в конце наблюдения; осмотри железный электрод на ржавчину или осадок.
Запиши
- Запиши три показания ЭДС с привязкой ко времени: начальное, максимальное и конечное.
- Осмотри железный электрод и опиши видимые изменения (ржавчина, чёрный налёт, очищение и т.п.).
- Соотнеси видимые изменения с характером кривой ЭДС (рост/плавное увеличение/стабилизация).
- Вырази в отчёте связь между изменениями поверхности Fe и изменением ЭДС в терминах изменения поверхности/концентраций.
1.4 Укажите начальное значение ЭДС
2.1 Для первого ГЭ исследуйте зависимость ЭДС от времени
Подумай заранее, через какие интервал-значения ЭДС или времени удобнее фиксировать точки, чтобы получить более 10 экспериментальных точек на убывающем участке.
Запиши значения времени сразу после достижения максимума и фиксируй ЭДС регулярно; затем построй таблицу времени и соответствующих ЭДС. Для анализа линейных участков применяй метод наименьших квадратов (линейная аппроксимация).
- Подготовь таблицу с колонками «время (с)» и «ЭДС (В)».
- Начни отсчёт секундомером в момент максимальной ЭДС и фиксируй показания по заранее выбранным интервалам (либо по равным временным шагам, либо по равным шагам по ЭДС).
- Получив более 10 точек, отобрази их в таблице и на графике ЭДС против времени.
- Вырази параметры линейной аппроксимации (наклон и сдвиг) для тех интервалов, где зависимость выглядит линейной.
2.1 Для первого ГЭ исследуйте зависимость ЭДС от времени
2.2 Для второго ГЭ исследуйте зависимость ЭДС от времени
Продумай синхронное опускание электродов и старт секундомера, чтобы надёжно поймать нарастающий участок ЭДС; фиксируй показания при быстрых изменениях чаще.
Фиксируй моменты времени и соответствующие ЭДС на возрастающем участке, заноси данные в таблицу; для последующего доказательства вида зависимости используй аппроксимацию степенной функцией и логарифмическое преобразование данных.
- Подготовь таблицу «время (с)» — «ЭДС (В)» и стартуй секундомер одновременно с опусканием электродов.
- Фиксируй показания чаще на участке быстрого роста, пока не соберёшь достаточно точек для аппроксимации.
- Построй график и проверь, можно ли описать зависимость степенной функцией; сделай логарифмирование данных для определения показателя степени.
- Вырази из полученной аппроксимации значения параметров
, и (сформулируй способ их определения, не выполняя подстановок).
2.2 Для второго ГЭ исследуйте зависимость ЭДС от времени
3.1 Постройте график зависимости
Построй график ЭДС против времени и найди участок, где точки лежат близко к прямой — это и есть линейный интервал.
Аппроксимируй найденный линейный участок прямой методом наименьших квадратов:
- Построй график
по собранным данным. - Выдели временной интервал, на котором зависимость выглядит линейной и проведи линейную аппроксимацию.
- Найди наклон
и свободный член аппроксимирующей прямой и укажи их единицы измерения и физический смысл (наклон — изменение ЭДС в единицу времени; свободный член — ЭДС в начале интервала). - Вырази
и из полученной системы данных (то есть выпиши, как их получить по точкам/формуле МНК).
3.1
График 1. Зависимость
По графику видим, что линейная зависимость
На первом временном интервале уравнение зависимости
Физический смысл коэффициента
Физический смысл
Средние значения
3.2 Постройте график зависимости
Оцените значение константы
Найди на графике участок быстрого увеличения ЭДС и отметь его временные границы; подумай, как проверить степенной закон поведения.
Предположи модель
- Построй график
и выдели область быстрого роста. - Применив логарифмирование к уравнению (1), получи линейную зависимость между
и и используй её для определения и . - Оцени
как предельно достижимую (асимптотическую) величину ЭДС в начале процесса и укажи её физический смысл как верхней границы ЭДС при данных концентрациях. - Вырази
и из логарифмически преобразованной зависимости (то есть выпиши, как получить их из коэффициентов линейной аппроксимации).
3.2
График 2. Зависимость
Из графика видим, что быстрое увеличение значения ЭДС
Для того чтобы показать, что на данном интервале зависимость
Прологарифмируем уравнение (3):
Уравнение (4) представляет собой линейную зависимость
Константа
Физический смысл
Составим таблицу значений и построим график зависимости
| Таблица 3. | График 3. Зависимость |
|---|---|
![]() |
|
| 1,07 -1,90 | |
| 1,52 -2,21 | |
| 1,92 -2,53 | |
| 2,14 -2,81 | |
| 2,28 -3,00 | |
| 2,51 -3,22 | |
| 2,70 -3,51 | |
| 3,23 -3,91 | |
| 3,64 -4,20 | |
| 4,05 -4,61 | |
| 4,56 -5,30 |
По графику зависимости
Применяя МНК (можно ПГО) определим для графика 3 угловой коэффициент наклона усредняющей прямой, это и есть значение показателя степени
Запишем уравнение (1) в виде:
Из (5) следует, что
следовательно
3.3 Почему значения
Сравни конечные значения ЭДС для обоих элементов и осмотри электролит/электроды: что общего могло привести к одинаковым итоговым показаниям?
Подумай в терминах установления равновесия концентраций и одинаковых смешанных потенциалов: при долгом контакте концентрации и поверхностные состояния уравниваются, что ведёт к схожим конечным потенциалам.
- Сопоставь процессы, происходящие с обоими электродами в ходе опыта (растворение/осаждение, изменение концентраций в ближней слое).
- Покажи, что к концу наблюдения градиенты концентраций и поверхностные состояния стремятся к стационарным, близким для обоих систем, дающим близкие ЭДС.
- Опиши качественно, как установившееся химическое равновесие и смешанные потенциалы приводят к близости
и . - Вырази в отчёте, какие измеренные/наблюдаемые параметры следует привести, чтобы подтвердить это объяснение (напр., конечные показания и состояние электродов).
3.3 В процессе работы первого ГЭ происходит растворение цинкового покрытия гвоздя. Резкое уменьшение


