1

ДИСЦИПЛИНЫ КАФЕДРЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В ХИМИЧЕСКОЙ

ТЕХНОЛОГИИ

1) Информатика

• 1й курс, 1й семестр

• 8 лекций (по 2 часа через неделю)

• 16 практических работ (по 2 часа каждую неделю)

• экзамен

2) Информационные технологии в химических системах

• 2й курс, 4й семестр

• 8 лекций (по 2 часа через неделю)

• 16 практических работ (по 2 часа каждую неделю)

• зачет

Разделы дисциплины «Информатика»

• Решение и анализ решения типовых химических задач с помощью

электронных таблиц;

• Обработка результатов химического эксперимента;

• Реализация математических методов, используемых

в химии

2

ПЛАНИРУЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОБУЧЕНИЯ

Знать

• принципы создания и использования современных информационных

технологий,

• основы устройства и работы компьютера;

• основные методы, способы и средства получения, хранения, переработки

информации.

Уметь

использовать прикладные программные средства для создания

документов и организации расчетов

Владеть

• навыками практической работы на персональном компьютере;

• навыками применения стандартных программных средств;

• методами расчетов и обработки экспериментальных

данных в химии

3

ЛИТЕРАТУРА И ИНФОРМАЦИОННЫЕ РЕСУРСЫ

Методические материалы

• Е.В. Бурляева, К.Ю. Колыбанов. Применение информационных

технологий для анализа химических систем. Учебное пособие

(электронный ресурс)

• В.В. Бурляев. Численные методы в примерах на Excel. Методическое

пособие.

Информационные ресурсы

• Учебный портал РТУ МИРЭА

https://online-edu.mirea.ru/

• Сайт кафедры

http://tessie.mitht.rssi.ru/it/it.html

• Внутренний учебный сервер

Доступен только в компьютерных классах кафедры

4

ВИДЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Преимущества вычислительного эксперимента:

• экономия ресурсов;

• экономия времени;

• снижение роли субъективных факторов;

• возможность проведения исследований при таких сочетаниях

исходных данных и параметров расчетов,

которые сложно реализовать в натурном эксперименте.

Исследование свойств химической системы

Натурный эксперимент Вычислительный эксперимент

Проводится в лаборатории

Проводится на компьютере

5

+ погрешность данных

+ ограничения

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ХИМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

ХИМИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

«Как величина Y зависит от параметра Х?»

МАТЕМАТИЧЕСКИЙ МЕТОД РЕШЕНИЯ

Y=f(X, a, b, c …)

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ

Дано: Х

Найти: Y

формализация

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СХЕМА

реализация

анализ«что, если»

выбор метода

6

ЭТАПЫ ПРОВЕДЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Подготовка к проведению эксперимента

1. Составление математической модели;

2. Структурирование данных;

3. Составление алгоритма;

Проведение вычислительного эксперимента

4. Поиск параметров моделей;

5. Выполнение расчетов;

6. Визуализация результатов расчетов;

Исследование и интерпретация результатов

7. Интерпретация результатов, анализ их соответствия

химической постановке задачи;

8. Исследование химической системы или процесса путем изменения

исходных данных и/или параметров расчетов;

9. Подготовка отчета об эксперименте.

7

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ТАБЛИЦ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

• Разработка структуры электронных таблиц

✓ задание ячеек для констант и параметров расчетов,

✓ выбор строк и столбцов для переменных,

✓ использование ссылок в формулах,

✓ использование встроенных функций электронных таблиц;

✓ использование встроенных подпрограмм.

• Визуализация результатов расчетов

✓ указание данных для диаграммы,

✓ выбор типа диаграммы,

✓ выбор масштаба и шага осей,

✓ выбор вида кривых.

• Анализ «что, если»

✓ проведение повторных расчетов при изменении исходных данных

или параметров

✓ интерпретация и анализ результатов изменений.

8

ВАРИАНТЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Что можно изменить?

1. Диапазон изменения расчетных величин;

2. Значения параметров расчетов;

3. Математическую модель и метод решения.

Анализ результатов изменений:

• Качественный анализ

Характер зависимости (возрастающая, убывающая, экстремальная,

линейная и т.п.)

• Количественный анализ

В каких пределах изменяются исходные данные и исследуемые величины

• Содержательный анализ

Соответствует ли полученное решение описанию поведения химической

системы

• Анализ погрешности и ограничений математической модели

Какова погрешность полученных результатов

Для каких еще химических систем может использоваться

математическая модель

9

ТИПОВЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ. ПРИМЕР 1.

РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИЙ И PH РАСТВОРА СИЛЬНОЙ КИСЛОТЫ

ХИМИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ:

Для сильной одноосновной кислоты исследовать зависимость

pH ее раствора в воде от процентной концентрации раствора

Объект исследования:

✓ Кислота

✓ Сильная

✓ Одноосновная

Изменяемая величина:

Процентная концентрация раствора

Результирующая величина:

pH раствора

10

1) pH раствора сильной одноосновной кислоты (результирующая величина)

pH = - log10 (C)

2) Молярная концентрация вещества

C = n / V (V – объем раствора)

3) Количество вещества

n = mв-ва / M (М – молярная масса кислоты,справочная величина)

4) Масса вещества в растворе

mв-ва = P * mр-ра (P - процентная концентрация раствора,изменяемая величина)

5) Масса раствора

mр-ра = R * V (R – плотность,

справочная величина)

Справочные величины:

✓ Плотность R. Зависит от процентной концентрации раствора P.

✓ Молярная масса кислоты

Параметр:

✓ Объем раствора V

РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

Ли

не

йн

ый

ал

гор

итм

11

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Дано:

• Молярная масса сильной одноосновной кислоты.

• Таблица значений плотности растворов этой кислоты

для различных процентных концентраций.

Найти:

• pH растворов заданной кислоты

для различных процентных концентраций.

Построить график изменения pH раствора заданной кислоты

в зависимости от ее процентной концентрации.

Исследовать изменение результатов расчетов при изменении

параметра расчетов - объема раствора.

12

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И СТРУКТУРА РАСЧЕТНОЙ ТАБЛИЦЫ

Концентрация в процентах

Плотность в г/мл

Структура расчетной таблицы

Исходные данные

Параметр «Объем» задаем

13

РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

A9 – относительная ссылка (изменяется при копировании)

$A$5 – абсолютная ссылка (не изменяется при копировании)

LOG10 – встроенная функциявычисления десятичного логарифма

mр-ра = R * V

= B9 * $B$5

mв-ва = P * mр-ра

= A9 * C9 / 100

Q = mв-ва / V= D9 / $B$5 * 1000

n = mв-ва / M = D9 / $A$5

C = n / V = F9 / $B$5 * 1000

pH = - log10 (C) = - LOG10(G9)

Переводиммл в литры

Переводим% в доли

14

РЕЗУЛЬТАТ РАСЧЕТА

Выделены изменяемая и результирующая величины.

Для выделения отдельных столбцов используется клавиша CTRL.

форматирование

15

ФОРМАТИРОВАНИЕ ЧИСЕЛ В ЭЛЕКТРОННЫХ ТАБЛИЦАХ

формат числа

фиксированное количество

знаков после запятой

для очень малых и очень больших чисел

0,59 = 5,9*10-1

5,90E-010,0000059 = 5,9*10-6

5,90E-06

отрицательные числа выделены красным

16

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ЗАВИСИМОСТИ PH

ОТ ПРОЦЕНТНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОТЫ

1) указание данных для диаграммы:

Столбцы А (процентная концентрация) и H (pH раствора)

2) выбор типа диаграммы:

Точечная (взаимосвязь 2 числовых рядов)

3) выбор масштаба и шага осей:

Определяется результатами расчетов,

4) выбор вида кривых:

Только маркеры

РЕЗУЛЬТАТ

-1,000

-0,500

0,000

0,500

1,000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

рН

Концентрация раствора, %

Зависимость рН раствора HNO3 от концентрации раствора

17

ВЫБОР ТИПА ДИАГРАММЫ

ПРАВИЛЬНО:

ТОЧЕЧНАЯ ДИАГРАММА

(взаимосвязь 2-х числовых рядов)

Данные: минимум 2 ряда чисел,

1-й описывает точки на оси абсцисс,

остальные – точки на оси ординат

-1,000

-0,800

-0,600

-0,400

-0,200

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

0 10 20 30 40 50

рН

Концентрация раствора, %

НЕПРАВИЛЬНО:

ГРАФИК

(отображение трендов по категориям)

Данные: минимум 1 ряд чисел,

Каждый ряд описывает

точки на оси ординат

-10

0

10

20

30

40

50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

зависимостьконцентрации от

номера строки

зависимость pH от номера строки

зависимость pH от концентрации

18

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ

Качественный анализ:

При увеличении процентной концентрации раствора pH раствора

уменьшается;

Количественный анализ:

pH раствора азотной кислоты изменяется в пределах от 1 до -1

Содержательный анализ:

Может ли pH быть отрицательным?

Да, для концентрированных растворов!

pH = - log10 (C)

Влияние параметра «Объем раствора» на результаты расчетов

Ответить на вопросы:

✓ какие расчетные величины изменяются в зависимости от данногопараметра;

✓ какие расчетные величины не изменяются в зависимости от данногопараметра.

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 0,5 1 1,5 2

-lg x Область отрицательных

значений

19

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Вопросы по математической модели

• Можно ли использовать такую расчетную таблицу для двухосновной

сильной кислоты? Если да, то как нужно модифицировать расчетные

формулы?

• Можно ли использовать такую расчетную таблицу для расчета pH раствора

сильного основания? Если да, то как нужно модифицировать расчетные

формулы?

• Какие расчетные величины могут принимать отрицательные значения?

Вопросы по реализации расчетов

• Какой тип ссылок необходим для использования в расчетных формулах

переменных величин? Какой – для постоянных величин?

• Почему для визуализации зависимости pH раствора от его процентной

концентрации использован тип диаграммы «точечная», а не «график»?

• Можно ли соединить точки на графике линиями?

20

ПРИМЕР 2. РАСЧЕТ СТЕПЕНИ ПРОТОЛИЗА СЛАБЫХ КИСЛОТ

Протолиз – процесс передачи протонов H+ между растворенным

веществом и растворителем.

Сильные кислоты почти нацело реагируют с растворителем.

Слабые кислоты реагируют частично. Значительная часть исходного

вещества находится в равновесной смеси в неизмененном виде.

Полнота протекания протолиза слабой кислоты при данной температуре

характеризуется константой кислотности.

Степень протолиза – отношение равновесной концентрации

образовавшихся в протолитической реакции частиц к исходной

концентрации протолита.

Для исследования химической системы «вода – слабый электролит»

выберем диапазон изменений концентрации от 0,1М до 10-7М.

21

ХИМИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Для слабой кислоты исследовать зависимость степени протолиза

от начальной концентрации ее раствора

Объект исследования:

✓ Кислота

✓ Слабая

Изменяемая величина:

Концентрация раствора заданной кислоты

(для удобства исследования используем не саму концентрацию,

а отрицательный логарифм этой величины)

Результирующая величина:

Степень протолиза

22

РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

Степень протолиза рассчитывается по формуле

где

Кк – константа кислотности,

С – концентрация кислоты.

Отрицательный логарифм концентрации протолитарассчитывается по формуле

pC = - log10 (C)

Запишем уравнение диссоциации слабой кислоты: HA = H+ + A– [1]

По определению константы кислотности: Kk = [H+] * [A–] / [HA] [2]

Равновесные концентрации [H+], [A–], [HA] [H+] = [A–] = a * C [3]

связаны с начальной концентрацией C: [HA] = (1–a) * C [4]

Подставим [3] и [4] в выражение [2] Kk = (a*C)*(a*C) / ((1–a)*C)

Откуда получим квадратное уравнение относительно a: С*a2 + Kk *a – Kk = 0 [5]

решением которого является приведённая выше формула

C

KCKK KKK

2

42

−+=a

23

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Дано: Константы кислотности трех слабых кислот.

Найти: Степень протолиза каждой из указанных кислот в диапазоне

концентраций от 0,1М до 10-7М.

Построить график изменения степени протолиза заданных слабых кислот

в зависимости от отрицательного логарифма концентрации кислот.

Проанализировать изменение степени протолиза слабых кислот в

зависимости от

1) Начальной концентрации слабой кислоты;

2) Констант кислотности.

24

СТРУКТУРА РАСЧЕТНОЙ ТАБЛИЦЫ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

смешанныессылки

= A4 / 2

= A5 / 5

Неравномерный шаг

Выделить обе формулы,

скопировать вниз

= - LOG10(A4)

=(КОРЕНЬ(C$3^2+4*C$3*$A4)-C$3)/2/$A4

C

KCKK KKK

2

42

−+=a

встроеннаяфункция

«квадратный корень»

исходные данные:названия,

константы кислотности (в

экспоненциальномформате)

25

СМЕШАННЫЕ ССЫЛКИ

А C D

2 С (COOH)2 CH3COOH

3 0,085 0,0000175

4 0,1 =(КОРЕНЬ(C$3^2+4*C$3*$A4)-C$3)/2/$A4 =(КОРЕНЬ(D$3^2+4*D$3*$A4)-D$3)/2/$A4

5 =A4/2 =(КОРЕНЬ(C$3^2+4*C$3*$A5)-C$3)/2/$A5 =(КОРЕНЬ(D$3^2+4*D$3*$A5)-D$3)/2/$A5

6 =A5/5 =(КОРЕНЬ(C$3^2+4*C$3*$A6)-C$3)/2/$A6 =(КОРЕНЬ(D$3^2+4*D$3*$A6)-D$3)/2/$A6

7 =A6/2 =(КОРЕНЬ(C$3^2+4*C$3*$A7)-C$3)/2/$A7 =(КОРЕНЬ(D$3^2+4*D$3*$A7)-D$3)/2/$A7

8 =A7/5 =(КОРЕНЬ(C$3^2+4*C$3*$A8)-C$3)/2/$A8 =(КОРЕНЬ(D$3^2+4*D$3*$A8)-D$3)/2/$A8

Ссылку С$3 копируем вниз:Номер столбца (С) не меняется,Номер строки ($3) не меняется.

Ссылку $A4 копируем вниз:Номер столбца (А) не меняется,

Номер строки (4) меняется

Ссылку С$3 копируем вправо:Номер столбца (С) меняется,

Номер строки ($3) не меняется.

Ссылку $A4 копируем вправо:Номер столбца (А) не меняется,Номер строки (4) не меняется

Формулу можно копировать на весь диапазон ячеек

без изменений

26

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ЗАВИСИМОСТЬ СТЕПЕНИ ПРОТОЛИЗА СЛАБЫХ КИСЛОТ ОТ

ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ЛОГАРИФМА ИХ НАЧАЛЬНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00

степ

ень

пр

от

ол

иза

-log10(C)

Расчет степеней протолиза слабых кислот

(COOH)2

CH3COOH

Cu2+.H2O

Диаграмма подготовлена для черно-белой печати (цвет кривых и маркеров

изменен на черный)

1) указание данных для диаграммы:Столбцы В (отрицательный логарифм концентрации),С, D, E (степень протолиза)2) выбор типа диаграммы:Точечная3) выбор масштаба и шага осей:Определяется результатами расчетов,4) выбор вида кривых:Гладкие кривые и маркеры

РЕЗУЛЬТАТ

27

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ

Качественный анализ:

1) При разбавлении (уменьшении концентрации раствора)

степень протолиза увеличивается;

2) Чем более сильной является кислота (больше константа кислотности),

тем больше степень протолиза

при равных значениях начальных концентраций

Количественный анализ:

1) Степень протолиза изменяется в пределах от 0 до 1

2) Для очень слабых кислот даже при малых концентрациях

степень протолиза может не достигать 1

Содержательный анализ:

Полученные результаты согласуются с теоретическими представлениями.

28

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

• Как используются в расчетной формуле для степени протолиза

смешанные ссылки?

• Почему в данном расчете нельзя использовать тип диаграммы

«График»?

• Почему можно соединять на графике расчетные точки линиями?

• Как изменить параметры форматирования рядов данных на

диаграммах?

• Как изменить диапазон исходных данных для ряда данных и

диаграммы в целом?

• Для чего нужно ручное указание минимального и/или

максимального значения на осях?

• Как разместить подписи с названиями рядов данных в легенде

диаграммы?

• Какими способами можно внести названия диаграммы

и ее осей?