[ Белорусский государственный университет
УТВЕРЖДАЮ
Декан химического факультета
Белорусского государственного университета
Д.В. Свиридов
(дата утверждения)
Регистрационный № УД-/баз.
КОМПЬЮТЕРНЫЕ МЕТОДЫ В ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Учебная программа для специальности 1-31 05 01 Химия Направления специальности:1-31 05 01-01 научно-производственная деятельность 2011 г
СОСТАВИТЕЛЬ:
Е. В. Павлечко, доцент кафедры электрохимии Белорусского государственного университета, кандидат химических наук, доцент РЕЦЕНЗЕНТЫ:В.Н. Хвалюк, доцент кафедры общей химии Белорусского государственного университета, кандидат химических наук, доцент М.П. Шевелева, старший преподаватель кафедры физической химии Белорусского государственного университета, кандидат химических наук
РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ:
Кафедрой электрохимии Белорусского государственного университета (протокол № от );Учебно-методической комиссией химического факультета Белорусского государственного университета (протокол № от );
Ответственный за редакцию: Е.В. Павлечко Ответственный за выпуск: Е.В. Павлечко
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Специальный курс «Компьютерные методы в физической химии»предназначен для студентов 4-го курса химического факультета по специальности 1-31 05 01-01 «Химия (научно-производственная деятельность)» специализаций «Физическая химия», «Химия твердого тела и полупроводников» и «Электрохимия».
Целью курса является обучение студентов теоретическим основам компьютерных методов и их использованию при решении практических задач из различных областей физической химии. При выполнении лабораторных работ студенты получают навыки применения таких пакетов программ, как Microsoft Excel и Mathematica, в практике физико-химических исследований.
Сегодня компьютеры могут быть использованы как средство для обработки экспериментальных результатов, создания баз данных, как инструмент для управления измерительным прибором, проведения компьютерных экспериментов, в которых и генерация данных, и их обработка осуществляются с помощью компьютеров. Среди химических наук применение компьютеров особенно важно там, где целью исследований является получение численных значений каких-либо свойств: в физической, квантовой, аналитической химии, химической технологии, а также в смежных дисциплинах.
В связи с этим выпускники химического факультета должны знать как общие принципы работы на компьютере, так и уметь решать с его помощью конкретные задачи из различных областей химии. Однако самостоятельное освоение приемов решения химических задач на компьютере представляет значительные трудности, а в основных курсах химического факультета такие задачи чаще всего не рассматриваются. В настоящее время на лабораторных и практических занятиях на химическом факультете студенты редко используют компьютеры для обработки полученных данных. Специальный курс «Компьютерные методы в физической химии» позволяет разрешить эту проблему. Задачи, рассматриваемые в данном курсе наиболее часто встречаются в исследовательской практике и различных учебных курсах химического факультета.
Специальный курс «Компьютерные методы в физической химии»
крайне необходим для студентов специализаций «Физическая химия», «Химия твердого тела и полупроводников» и «Электрохимия» для качественного проведения ими научных исследований и грамотного обработки результатов, полученных при выполнении курсовых и дипломных работ.
СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА
физической химии 1. Введение Принцип действия, архитектура и возможности современных компьютеров. Операционные системы. Основные приемы работы в Windows.Характеристика приложений.
2. Математические методы физической химии Решение уравнений методами дихотомии, итераций, касательных, хорд и секущих. Отделение корней. Проблема сходимости. Точность решения.
Комплексные корни. Вычисление точек кипения по уравнению Кокса.
Системы линейных алгебраических уравнений. Метод Гаусса.
Уточнение корней.
Системы нелинейных уравнений. Методы итераций, Ньютона-Рафсона.
Расчет сложных химических равновесий.
Интерполяция. Понятие о сплайнах. Вычисление температуры по шкале МТШ-90.
Метод наименьших квадратов и его применение в физической химии.
Весовые коэффициенты. Совместная регрессия различных физикохимических величин. Масштабирование отклонений.
Метод наименьших квадратов для нелинейных задач. Представление температурной зависимости давления насыщенного пара уравнением Антуана. Определение временного порядка реакции.
Оптимизация функций. Методы золотого сечения, координатного и градиентного спуска. Линейные и квадратичные методы. Использование в методе молекулярной механики.
Матричные операции. Вычисление определителей, обратных матриц, собственных чисел и векторов. Метод Якоби.
Интегрирование. Методы прямоугольников, трапеций, Симпсона.
Точность и порядки методов интегрирования. Вычисление несобственных интегралов. Вычисление Дебаевской теплоемкости.
Решение систем обыкновенных дифференциальных уравнений.
Методы Эйлера и Рунге-Кутта. Моделирование кинетики сложных химических реакций.
Обратные задачи в моделировании физико-химических процессов.
Определение температуры Дебая по экспериментальной теплоемкости.
Определение кинетических параметров для сложных химических реакций.
3. Работа с ресурсами сети Интернет Поиск информации в базах данных по физической химии (БД «Термические константы веществ», NIST (США), AIST (Япония) и т.д.).
Использование систем поиска текстовой информации (ScienceDirect, Scircus, E-library).
ТЕМЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ
1. Работа с электронными таблицами. Обширные расчеты (экстраполяция давления насыщенного пара). Решение нелинейных уравнений (нахождение температуры кипения из уравнения Кокса).2. Решение систем линейных и нелинейных уравнений (расчет равновесного состава в сложной системе).
3. Метод наименьших квадратов (регрессия различных экспериментальных данных). Графическое представление результатов.
4. Метод наименьших квадратов для нелинейных и нестандартных задач.
(совместная регрессия данных по давлению пара и теплоемкости) 5. Интегрирование (определение порядков методов). Решение обратных задач (кинетика сопряженных реакций).
6. Работа с комплексом Mathematica. Вычисления, регрессия и графическое представление результатов (решение тех же задач альтернативными средствами).
7. Символьные операции. Решение систем алгебраических и дифференциальных уравнений (представление и решение задач формальной кинетики).
8. Internet и его химические ресурсы (ознакомление и поиск данных).
ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Использование электронных таблиц в физической химии: Пособие для студентов хим. фак. спец. 1-31 05 01 04 «Физическая химия» / авт.-сост. Е.В. Павлечко. – Мн. : БГУ, 2007. – 48 с.
Батунер Л. М., Позин М. Е. Математические методы в химической технике. – Л. : Химия, 1971. – 824 с.
Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г.
Корн, Т. Корн. – СПб. : Лань, 2003. – 832 с.
Скатецкий В. Г. Лекции по математике для студентов химических специальностей. – Мн. : БГУ, 2000. – 387 с.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
5. Элементы методов вычислений / А. А. Гусак. – Мн. : Изд-во БГУ, 1974. – 6. Эберт К., Эдерер Х. Компьютеры. Применение в химии. – М. : Мир, 1988.7. ЭВМ помогает химии / Под ред. Вернена Г., Шанона М. – Л. : Химия, 1990. – 384 с.
«