第五章 计算机在结构化学计算和化学过程模拟中的应用
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计算机在分析化学中的应用计算机是一种多功能的设备,可用于计算、拟合、模拟、制表、绘图、选择、判别、存贮、检索、统计、管理、自动控制、人工智能、专家系统等方面。
计算机在化学中的应用可从不同角度分类:按化学体系,可从解决化学各分支学科的问题分类;按应用方法,则是从计算机的功能应用来分类。
(一)计算机在分析化学中的应用简称计算分析,其内容有:1.1数据处理利用一元统计,可对同一项目的若干次测量数据进行统计处理,计算置信区间、标准误差、变动系数等。
利用二元统计,可以计算含量与滴定体积或浓度与吸光度之间的直线方程(线性回归法)。
用程序型计算器也能迅速完成这些计算。
1.2 条件预测根据溶液平衡原理,考虑副反应系数校正,形成精确的数学模型,可对化学分析条件进行预测,例如显色反应最合适的pH的预测、离子交换色谱法中淋洗液浓度和用量的预测等。
在较复杂的情况下,可以利用计算数学方法。
设有10种金属离子与10种络合剂共存,它们之间的竞争反应可用迭代法预测,计算机对每种络合物用迭代法处理,获得收敛结果的报出答案,迭代999次仍不收敛者弃去,总共不多于10万个数据的计算。
按常法以每个数据平均费时6分钟计,一个人要三年半才能算完,用计算机处理不到 1小时可得出答案,为化学分析中哪种离子参加反应、哪些离子被掩蔽等条件,获得可靠的预测效果。
1.3 提高选择性即准确测定指定的组分,消除干扰一般可概括为下列两种模型:①平衡模型,以各种平衡常数为依据,把共存的每种平衡都写成一个方程式,形成一组方程。
在测得某些未知量之后,就可把被测物质的共存干扰物质的含量一起计算出来。
这种模型适于处理化学分析问题,但受到平衡常数的精密度和高浓度溶液中活度校正的准确度的限制。
②当量模型,以广义的当量关系,即测定信息与被测物含量的关系为依据。
这些测定信息可以是滴定体积、沉淀重量、吸收、发射、电流、电压、波峰的高度或面积等。
将它们组成方程组,可把多种组分的含量一起计算出来。
计算机模拟在化学工业中的应用化学工业是现代制造业中的一个重要领域。
在化学过程中,如何提高产量和质量,降低成本和排放,一直是化学工业需要解决的难题。
而计算机模拟技术,作为一种重要的计算方法,在化学工业中得到了广泛的应用。
计算机模拟技术是指利用计算机模拟物质分子间的相互作用和反应过程所涉及的能量转化过程,来预测和控制物质的性质、反应过程和制备工艺的一种方法。
在化学工业中,计算机模拟技术的应用主要包括以下几个方面。
1. 材料研究材料是化学工业的基石之一,因此研究新的合成方法和研发新材料一直是化学工业研究的重要内容。
计算机模拟技术可以用来模拟材料的结构和性质,预测合成过程中可能产生的副反应和不良结构,为研发新材料提供指导意见。
例如,利用分子动力学方法模拟出氧化镁纳米晶体的粒径和形态变化规律,可以为该材料的制备方法提供指导。
2. 催化剂设计催化剂是化学反应中的一类特殊物质,其作用是加速化学反应的进行。
在化学工业中,催化剂在合成反应、重整反应等过程中得到了广泛的应用。
计算机模拟技术可以用来设计新的催化剂,优化催化剂的组成和形态,降低催化剂的成本和增加反应产物的收率。
例如,采用密度泛函理论方法计算活性金属表面吸附气体分子的能量,可以为催化剂的设计提供指导。
3. 反应过程模拟计算机模拟技术可以用来模拟化学反应过程,从分子层面上了解反应过程的机理和动力学规律。
通过对反应过程的模拟,可以预测反应的产物和副产物、控制反应速率和选择性,优化反应条件以提高产量和质量。
例如,采用量子力学计算方法模拟醇和酸酐的缩合反应的机理,在反应产物的选择性上得到了较好的控制效果。
4. 污染物减排计算机模拟技术可以用来预测污染物的产生机理和排放规律,为污染物减排提供参考依据。
例如,通过对锅炉燃烧过程中污染物的化学反应机理的模拟和分析,可以优化锅炉的燃烧条件,降低大气污染物排放。
总之,计算机模拟技术在化学工业中的应用不仅可以优化生产、提高效率、降低成本,还可以减少环境污染、保护生态环境。
晋中学院本科毕业论文(设计)题目计算机在化学中的应用-利用MATLAB求解化学计算题院系化学化工学院专业化学姓名学号0909111113学习年限2009年9月至2013年7月指导教师申请学位学士学位2013年5 月15日计算机在化学中的应用——利用MATLAB求解化学计算题摘要:MATLAB是由美国Math works公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计计算环境。
它能有效地解决数值线性代数、数值逼近、最优化等科学和工程问题。
编制程序方便,求解化学计算题高效快速。
本文分别以结构、分析、化工三方面的典型例题,来说明MATLAB在化学中的应用。
关键词:MATLAB;化学计算题;计算应用;结构;分析;化工Applications of MATLAB in Chemistry—Use MATLAB SolvingChemical Calculation ProblemsAuthor’s Name:Lijiajia Tutor: DongtaoABSTRACT:MATLAB, released by the America Mathwoks Company, is the computing environment mainly in the face of scientific computing, visualization and interactive programming. It can efficiently solve problems in science and engineering such as numerical linear algebra, digital approximation, and optimization. It also has characters of convenient programming and efficiently and quickly solving chemical calculation problems. This paper will explain MATLAB in the application of chemistry by referencing typical examples about structural chemistry, analytical chemistry and chemical industry.KEYWORDS:MATLAB;Chemical calculation problems;Computing applications;Structural chemistry;Analytical chemistry ;Chemical industry目录1 MATLAB简介 (1)1.1MATLAB的简要发展 (1)1.2 MATLAB的功能介绍 (1)2 MATLAB在化学中的应用 (2)2.1 MATLAB在结构化学计算中的应用—休克尔分子轨道的计算 (2)2.2 MATLAB在分析化学中的应用—计算溶液的pH (3)2.2.1 一元强酸(碱)中H+的计算 (3)2.2.2 一元弱酸(碱)溶液pH的计算 (4)2.3 MATLAB在化工计算中的应用—解非线性方程(组) (6)2.3.1 解非线性方程 (6)2.3.2 解非线性方程组 (7)3结语 (8)注释 (9)参考文献 (10)致谢 (11)1 MALAB简介1.1MATLAB的发展历史MATLAB是Math works公司推出的适用于科学和工程计算的数学软件系统,MATLAB即Matrix(矩阵)和Laboratory(实验室)的简称,雏形是Cleve Moler教授为学生编写的用于Linspack和Eispack的接口程序。