Компьютерное моделирование химических взаимодействий

Книга посвящается памяти Александра Арсеньевича Слободова.

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.

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.