Компьютерное моделирование химических взаимодействий. Дмитрий КремнёвЧитать онлайн книгу.
собных 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