Компьютерное моделирование химических взаимодействий

на главную - закладки

Жанры

Поделиться:

Компьютерное моделирование химических взаимодействий

Шрифт:

Книга посвящается памяти Александра Арсеньевича Слободова.

Введение

Наш мир построен на законах. Закон всемирного тяготения. Законы электрического и магнитного взаимодействия. Закон сохранения массы и энергии.

Химическое взаимодействие веществ – это одно из основополагающих явлений нашего мира. И оно также подчиняется законам. Невозможно представить себе мир, где вещества бы не реагировали между собой.

Все мы со школьных времен понимаем основы химических взаимодействий. Кислоты реагируют с основаниями с образованием солей и воды. Множество веществ

сгорают с образованием оксидов. Растворимые в воде вещества диссоциируют на ионы. Когда количество компонентов, способных вступить в химическое взаимодействие, мало, даже школьнику не составляет большого труда рассчитать результаты таких взаимодействий. Однако с ростом количества компонентов все сильно усложняется.

Задача. Можете ли вы, взглянув на список из 10 веществ, в состав которых входят 12 химических элементов, ответить на вопрос: как прореагирует данная система при температуре в 800°С?

И это не вопрос для проверки уровня знаний на экзамене или способ блеснуть интеллектом в среде химиков. Это один из практических вопросов, которые возникают при разработке новых материалов, создании технологических процессов, в ряде научных исследований.

Один из способов решить такую задачу – провести эксперимент. Смешать вещества, нагреть до нужной температуры и определить состав смеси. Тогда мы столкнемся с рядом трудностей:

• Состав необходимо определить именно при заданной температуре, поскольку при остывании системы в ней могут протекать другие химические превращения, которые поменяют ее состав.

• Если реакции протекают с низкой скоростью, в момент измерения мы можем получить неопределенные данные. Равновесный ли это состав системы? Или продукты попросту еще не успели образоваться?

А если мы захотим изучить влияние различных параметров на процесс? Что изменится при повышении или понижении температуры? Изменении давления? Добавлении новых веществ или изменении количества изначальных?

Экспериментальный подход требует больших материальных и временных затрат, при этом не всегда позволяет получить необходимый результат.

Представьте себе другой подход. Вы вводите в компьютер данные о начальном составе исследуемой системы, температурный интервал, на котором хотите ее изучить, вещества, влияние которых хотите выяснить. И в результате получаете полный расчет: как изменяется состав системы при изменении температуры (какие реакции протекают, какие вещества исчезают и образуются и в каких количествах), как меняется картина происходящего при изменении количественного и качественного состава системы.

Кроме того, вы можете изучить протекание процессов при различных условиях: изобарных, изохорных, в вакууме, при отсутствии возможности образования газов, в воздушной атмосфере. И все это без доступа к дорогостоящему оборудованию и множества потраченных часов и реагентов.

Именно этому подходу и посвящена данная книга. Главная наша задача – упростить исследования сложных многокомпонентных систем, предоставить методологию и инструменты, способные облегчить получение в простом и наглядном виде картины происходящих химических процессов и способов влияния на них.

Целью внедрения расчетных методов мы видим появление новых технологических процессов, новых материалов, а также новых, более оптимальных составов и условий производства существующих. И, как следствие, ускорение темпов научно-технического прогресса, улучшение конкурентоспособности и качества российской продукции.

В любой книге (и наша – не исключение) могут присутствовать опечатки и прочие ошибки. По мере их обнаружения мы будем пополнять их список на странице slobodovreactor.ru/spisok-ispravlenij/.

Для того чтобы быть с нами в контакте, запустите нашего бота в Телеграм: @slobodov_reactor_bot.

История появления метода

Все началось с математики. Александр Арсеньевич Слободов окончил матмех ЛГУ в 1976 году и поступил на работу в ЛСХИ на кафедру математики. И вскоре был задействован на кафедре химии для обработки экспериментальных данных.

В 1980 году Александр Арсеньевич перешел в Технологический институт, где его выдающиеся математические способности также пригодились в области обработки данных экспериментов на кафедре Физической химии и послужили основой для докторской диссертации одного из сотрудников кафедры.

Через несколько лет работы с различными экспериментальными данными возникла идея: а что, если попытаться смоделировать сложные эксперименты термодинамическими расчетами? С этого момента начал складываться аппарат термодинамического моделирования.

Первые программы работали на ЭВМ Минск-22 и БЭСМ-4 на языках Алгол и Фортран. По мере появления более совершенных ЭВМ происходил переход программного комплекса на языки более высокого уровня. Методы термодинамического моделирования показали свою эффективность и экспериментальное подтверждение, в результате чего продолжали развиваться.

Одним из первых внешних заказчиков стала Ленинградская АЭС. Расчеты протекающих физико-химических превращений в контурах охлаждения как в штатных режимах работы, так и в экстремальных позволили лучше понять происходящие процессы и, как следствие, выработать алгоритмы действий во внештатных ситуациях.

Позже метод нашел применение в области производства люминофорных композиций, компонентность которых делала практически невозможным изучение фазово-химических превращений при их синтезе как с точки зрения эксперимента, так и с помощью простых расчетных методов. В результате были найдены причины и методы борьбы с браком продукции, оптимизированы рецептурные составы.

Также метод нашел свое применение в расчетах процесса синтеза стекол, керамики, азотных удобрений и многих других процессов.

В результате более чем четырех десятилетий использования данного подхода к моделированию различных многокомпонентных систем в широкой области параметров состояния, было принято решение сделать его доступным для широкого круга научных, технических и технологических специалистов в нашей стране.

Так появилась сперва идея, а затем и реализация сервиса SlobodovReactor. Поскольку программная часть метода была адаптирована под старые, практически вышедшие из эксплуатации системы, автору книги пришлось с нуля писать программную реализацию для облачной архитектуры системы.

Книги из серии:

Без серии

Популярные книги

Идеальный мир для Лекаря 15

Сапфир Олег
15. Лекарь
Фантастика:
боевая фантастика
юмористическая фантастика
аниме
5.00
рейтинг книги
Идеальный мир для Лекаря 15

Вернуть невесту. Ловушка для попаданки 2

Ардова Алиса
2. Вернуть невесту
Любовные романы:
любовно-фантастические романы
7.88
рейтинг книги
Вернуть невесту. Ловушка для попаданки 2

Идеальный мир для Социопата 3

Сапфир Олег
3. Социопат
Фантастика:
боевая фантастика
6.17
рейтинг книги
Идеальный мир для Социопата 3

Кровь Василиска

Тайниковский
1. Кровь Василиска
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
аниме
4.25
рейтинг книги
Кровь Василиска

Отвергнутая невеста генерала драконов

Лунёва Мария
5. Генералы драконов
Любовные романы:
любовно-фантастические романы
5.00
рейтинг книги
Отвергнутая невеста генерала драконов

Идеальный мир для Лекаря

Сапфир Олег
1. Лекарь
Фантастика:
фэнтези
юмористическое фэнтези
аниме
5.00
рейтинг книги
Идеальный мир для Лекаря

Аномалия

Юнина Наталья
Любовные романы:
современные любовные романы
5.00
рейтинг книги
Аномалия

Идущий в тени 4

Амврелий Марк
4. Идущий в тени
Фантастика:
боевая фантастика
6.58
рейтинг книги
Идущий в тени 4

Мастер 4

Чащин Валерий
4. Мастер
Фантастика:
героическая фантастика
боевая фантастика
попаданцы
5.00
рейтинг книги
Мастер 4

Неверный

Тоцка Тала
Любовные романы:
современные любовные романы
5.50
рейтинг книги
Неверный

Газлайтер. Том 15

Володин Григорий Григорьевич
15. История Телепата
Фантастика:
боевая фантастика
попаданцы
5.00
рейтинг книги
Газлайтер. Том 15

Мастер Разума II

Кронос Александр
2. Мастер Разума
Фантастика:
героическая фантастика
попаданцы
аниме
5.75
рейтинг книги
Мастер Разума II

Те, кого ты предал

Берри Лу
Любовные романы:
современные любовные романы
5.00
рейтинг книги
Те, кого ты предал

Мастер 2

Чащин Валерий
2. Мастер
Фантастика:
фэнтези
городское фэнтези
попаданцы
технофэнтези
4.50
рейтинг книги
Мастер 2