Компьютерное моделирование химических взаимодействий

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.

Ограничения и особенности метода

Описанный метод расчета химических равновесий имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при его использовании.

Полнота составляющих систему соединений. Вычисляя состояние равновесия системы при заданных условиях, мы учитываем максимально возможное количество веществ, способных образоваться из начального состава системы. Другими словами, веществ из тех же химических элементов (что и первоначальные), существующих в природе. Для каждого такого вещества нам необходимо знать все его термодинамические характеристики в исследуемом температурном диапазоне.