Читать книгу Компьютерное моделирование химических взаимодействий - - Страница 7

В данном разделе мы введем терминологию, которой будем пользоваться в следующих частях книги для описания исследования реальных систем методом термодинамического моделирования. Кроме того, рассмотрим виды термодинамических расчетов и их области применения.

Фазовый расчет. Представьте такие условия, при которых вещества в системе могут химически реагировать между собой, но не могут образовывать растворов. На практике приближенные к этому условия могут быть реализованы в системе, состоящей из веществ, находящихся в твердом состоянии.

Термодинамическая модель такой системы предполагает, что все вещества существуют в системе только в индивидуальном состоянии, то есть их активности равны единице, не образуется ни твердых, ни жидких, ни газообразных растворов.

Фазовый расчет можно также разделить на два: без возможности образования газов и с возможностью образования газов.

Первый случай реализуется в условиях, когда в системе невозможно газообразование: толща материала, высокие давления и пр.

Второй случай, когда образование газов возможно, однако при этом газы не образуют растворов, а существуют в индивидуальном состоянии, является, по сути, упрощением реальных систем.

Фазовый расчет с газовой фазой позволяет определить наиболее устойчивые соединения, вносящие самый весомый вклад, определяющий движущую силу процесса.

Для быстрой оценки фазовых превращений в различных системах нами был разработан инструмент под названием «Фазовый калькулятор», о котором будет рассказано далее в книге.

Расчет растворов в конденсированных фазах. Следующим шагом в приближении идеальной системы к реальной будет учет возможности образования растворов в конденсированных фазах. Рассмотренный ранее фазовый расчет показывает, какой набор конденсированных фаз реализуется в системе при конкретных параметрах состояния (температуре и пр.). Часть этих фаз, либо все вместе, могут образовывать растворы.

Отсутствие общей теории растворов не дает возможность расчетным путем определить, какие из фаз будут образовывать растворы. Поэтому информация об этом должна быть заложена изучающим систему, исходя из опыта. К примеру, при синтезе неорганических стекол соединения образуют раствор. При синтезе керамики, цемента и пр. возможно лишь частичное образование растворов. А при синтезе огнеупорных композиций, восстановлении металлов из руд и пр. образование конденсированных растворов крайне маловероятно.

Учет возможности образования растворов сильно усложняет химизм процесса, поскольку в растворе возможно образование большого количества зависимых соединений (в отличие от количества индивидуальных фаз, не связанных правилом Гиббса).

Расчет газовых растворов. В условиях, когда химические взаимодействия происходят в газовой фазе, либо на границе конденсированных фаз с газовой, поведение системы также усложняется.

Во-первых, в таких условиях химическое взаимодействие конденсированных соединений возможно с образованием газообразных продуктов. Во-вторых, происходит частичное испарение конденсированных фаз. В-третьих, в самой газовой фазе возможно протекание химических взаимодействий с образованием новых соединений. И наконец, газообразные вещества образуют раствор, что также усложняет моделирование подобных систем.

Расчет водных систем. Особенность систем, в которых образуются водные растворы, заключается в том, что такие растворы содержат большое разнообразие ионных комплексов. Каждый такой комплекс имеет термодинамические характеристики и вносит свой вклад в общую энергию системы.

Учет всего разнообразия образующихся комплексов из исходных соединений позволяет с высокой точностью вычислять термодинамические свойства водной системы, а значит, и ее итоговый равновесный состав в заданных условиях.

Данный расчет позволяет моделировать процессы коррозии, процессы комплексообразования в сложных растворах, процессы извлечения полезных ископаемых (например, железо-марганцевых конкреций из морской воды), процессы охлаждения атомных электростанций (как процессы растворения, так и образования осаждений), исследования в глубинах океана (например, определение состава воды и дна Марианской впадины по составу на поверхности), ряд экологических задач, связанных с водой, химическую отмывку отложений и многое другое.

Структуру расчетов изобразим на следующей схеме:

Вид расчета или их сочетание позволяют выбирать уровень ограничений на физико-химическую систему: возможно ли в ней образование различных видов растворов или фаз.

Состав подключаемой в расчете базы данных определяет спектр возможных продуктов взаимодействия.

Сочетание вида (видов) расчета и базы (баз) данных позволяет учесть различные условия протекания физико-химических взаимодействий и максимально приблизить модель к реальности.

Более подробно о том, как это происходит, мы опишем далее на примерах расчета конкретных систем.