化学

来自计算思维百科
跳转至: 导航搜索

计算化学是近年来快速发展的一门学科,主要以分子模拟为工具实现各种核心化学的计算问题,架起了理论化学和实验化学之间的桥梁。计算化学是化学、计算方法、统计学和程序设计等多学科交叉融合的一门新兴学科,它利用数学、统计学和程序设计等方法,进行化学与化工的理论计算、试验设计、数据与信息处理、分析和预测等。

计算机科学在化学中的应用包括以下几个研究方向。

① 化学中的数值计算

利用数值计算方法,对化学各分支学科的数学模型进行数值计算或方程求解。例如,量子化学和结构化学中的演绎计算、分析化学中的条件预测、化工过程中的各种应用计算等等。

② 化学模拟

化学模拟包括:数值模拟,如用曲线拟合法模拟实测工作曲线;过程模拟,根据某一复杂过程的测试数据,建立数学模型,预测反应效果;实验模拟,通过数学模型研究各种参数(如反应物浓度、温度、压力)对产量的影响,在屏幕上显示反应设备和反应现象的实体图形或反应条件与反应结果的坐标图形。

③ 化学中的模式识别

统计模式识别是一种统计处理数据、按专业要求进行分类判别的方法,适于处理多因素的综合影响。例如,根据二元化合物的键参数(离子半径、元素电负性、原子的价径比等)对化合物进行分类,预报化合物的性质。模式识别广泛用于最优设计,根据物性数据设计新的功能材料。

④ 化学数据库及检索

在化学数据库中,数据、常数、谱图、文摘、操作规程、有机合成路线以及应用程序等等都是信息。数据库能存贮大量信息,并可根据不同要求进行检索。根据谱图数据库进行谱图检索,已成为有机分析的重要手段。其过程是:首先将大量的谱图(红外、核磁、质谱等)存入数据库,作为标准谱图,然后由实验测出未知物的各种谱图,将它们和标准谱图进行对比,就可求得未知物的组成和结构。

⑤ 化学专家系统。

专家系统是数据库与人工智能结合的产物,它把知识规则作为程序,让机器模拟专家的分析和推理过程,达到用机器代替专家的效果。如酸碱平衡专家系统,它包括知识库和检索系统,当用户提出问题时,它能自动查出数据,进行计算、绘图和推理判断等,并用专业语言回答用户的问题,如溶液pH值的计算,任意溶液用酸、碱进行滴定时操作规程的设计等等。

例子

举一个化学反应的数值模拟例子。爆轰是一种理想的高速率释放能量、高效率转换能量的燃烧过程,爆轰数值模拟是流体力学和化学动力学相互祸合的一种复杂过程。由于超音速飞行器和弹丸推进技术的快速发展,带动了爆轰现象及其数值模拟的研究。但是爆轰中存在着激波、爆轰波等强间断的物理现象,流动时间尺度与化学反应时间尺度差异使非平衡效应非常强烈,计算中必须考虑非平衡流动过程,给数值模拟带来了一定的困难。

近几年来计算技术有着重要的进展,计算机允许进行包括确定非平衡化学反应这样大量而准确的计算。在多台PC机组成的集群系统中,基于非结构网格和分区并行算法,为求解多组分化学反应流动守恒方程组开发了单程序多数据流形式的并行程序,对己有的预混可燃气体中高速飞行的弹丸的爆轰现象进行了有效的数值模拟,如图1所示。

7.3.3.png

                                                                                                                                         图1  高速飞行的弹丸模拟