«Использование моделирования для изучения скорости химической реакции»

В разных темах школьного курса мы изучаем химические реакции. Моделирование свойств и реакционной способности химических соединений - составная часть общей стратегии исследований, роль которой в настоящее время становится все более активной. В связи с этим возникает необходимость при рассмотрении вопросов химической кинетики использовать моделирование.

Компьютер позволяет управлять процессом, имитировать функции управления событиями и видеть последствия принимаемых решений, при этом открывается возможность моделировать процессы, постановка которых в обычных условиях в классе невозможна или затруднительна.

Таким образом, основная цель работы: создать модель, отражающую протекающие в реакции процессы и показать возможность обработки экспериментально полученных данных с помощью электронной таблицы Microsoft Excel.

Объектом исследования является кинетика химической реакции.

Методы исследования: химический эксперимент и метод математического моделирования.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

• познакомиться с основными правилами разработки математических моделей и построить модель зависимости скорости протекания химической реакции от концентрации веществ и температуры;
• опытным путем получить данные о скорости химической реакции, и провести их математическую обработку, оценив адекватность созданной модели;

Для этого было проведено моделирование химической реакции с помощью электронной таблицы Microsoft Excel. Полученные графические зависимости носят линейный характер в отличие от реальной зависимости имеющей вид параболы. Это связано с тем, что компьютерное моделирование проводится по уравнению для истинной скорости (∆с/∆t), а это отношение постоянно.

Возможность подобрать параметры уравнения таким образом, чтобы его решение совпало с данными эксперимента, часто является доказательством (или опровержением) теории. С этой целью был проведен химический эксперимент. Первая серия опытов проводилась с растворами различной концентрации, вторая – различных температур. Обработка экспериментальных данных методом наименьших квадратов позволило найти кинетическое уравнение и параметры, адекватно описывающие экспериментальные кинетические зависимости. В каждом исследуемом случае самой точной оказалась математическая модель, задаваемая функцией вида y=ax2+bx+c.

Таким образом, можно сделать вывод, что зависимость скорости химической реакции от изменения температуры и концентрации определяется квадратичной функцией, то есть графиком этой зависимости является парабола. Что полностью согласуется с теоретическими основами и подтверждает адекватность созданной математической модели т.к значение коэффициента детерминации R² в полученных уравнениях близко к 1. Модели, аналогичные созданным нами, могут использоваться при установлении срока годности лекарств, изделий из пластмасс, резины и др. (так называемый «метод ускоренного старения»). Они помогают определить оптимальную температуру и сроки хранения материалов. Подобные модели могут применяться как дополнение и пояснение теоретического курса, для текущего контроля знаний на практических занятиях, а также для автоматизации проведения лабораторных работ при изучении темы «Скорость химической реакции».