Междисциплинарный проект: "Роль математики в химии".

Слайд 1

Цель работы: проследить интеграцию наук математики и химии на основе взаимосвязи математического и химического знания. Содержание: Решение химических задач и проблем методами современной математики. Какие ограничения накладывает химия на решение математических задач? Симметрия в химии. Дифференциальные уравнения в химии. Графическое представление молекул и их свойств – теория графов в химии. Математическая химия. Пример математического моделирования. Междисциплинарный проект: «РОЛЬ МАТЕМАТИКИ В ХИМИИ»

Слайд 2

«Если ты не знаешь математику, то ты не знаешь ни одной науки» Математика превратила химию из описательной науки в экспериментальную, и сделала химию наукой. Именно с помощью математики мы производим как простейшие расчёты по химическим формулам и уравнениях химических реакций, так и сложнейшие математические операции, моделирующие сложнейшие химические процессы как в живой, так и неживой природе. Без математики невозможно ни одно химическое производство. Если на секунду представить, что было бы, если из химии исчезли числа и математические расчёты… Мир остался бы без пищи, лекарств, красок, фотоплёнок, минеральных удобрений, пластмасс, металлических сплавов и многих других полезных веществ и вещей.

Слайд 3

Математика для химиков – это, в первую очередь, полезный инструмент решения многих химических задач. Очень трудно найти какой-либо раздел математики, который совсем не используется в химии. Функциональный анализ и теория групп широко применяются в квантовой химии, теория вероятностей составляет основу статистической термодинамики, теория графов используется в органической химии для предсказания свойств сложных органических молекул, дифференциальные уравнения – основной инструмент химической кинетики, методы топологии и дифференциальной геометрии применяются в химической термодинамике.

Слайд 4

Какие ограничения накладывает химия на решение математических задач? Как-то раз Гаусс спорил с Авогадро (1776-1856) о сущности научных законов. Гаусс утверждал, что законы существуют только в математике, а потому химия почитаться за науку не может. В ответ Авогадро сжег 2 л водорода в литре кислорода и, получив два литра водяного пара, торжествующе воскликнул: «Вот видите! Если химия захочет, то два плюс один окажутся равны двум. А что скажет на это ваша математика?» Математические уравнения и методы, используемые в химии, имеют дело не с абстрактными величинами, а с конкретными свойствами атомов и молекул, которые подчиняются естественным природным ограничениям. Иногда эти ограничения бывают довольно жесткими и приводят к резкому сужению числа возможных решений математических уравнений. Математические уравнения, применяемые в химии, а также их решения должны иметь химический смысл.

Слайд 5

Число атомов в молекулах должно быть положительным целым числом Рассмотрим уравнение 12x + y = 16. Для математика это уравнение описывает прямую линию на плоскости. Оно имеет бесконечно много решений, в том числе и целочисленных. А для химика выражение 12x + y описывает молекулярную массу углеводорода CxHy (12 – атомная масса углерода, 1 – водорода). Молекулярную массу 16 имеет единственный углеводород – метан CH4, поэтому только одно решение данного уравнения обладает химическим смыслом: x = 1, y = 4. Какие ограничения накладывает химия на решение математических задач?

Слайд 6

Одно из ключевых понятий химии – валентность, то есть число химических связей, которыми данный атом соединен с другими. Например, углерод в органических соединениях почти всегда четырехвалентен. Это накладывает некоторые ограничения на химические формулы. Например, число атомов водорода во всех углеводородах четно. Какие ограничения накладывает химия на решение математических задач? Найдем максимально возможное число атомов водорода в углеводороде, содержащем n атомов углерода, это число равно 2n + 2. Оно соответствует предельным углеводородам – алканам . Решим эту задачу с помощью математических рассуждений. Общее число валентностей углерода в молекуле CnHx равно 4n, так как каждый атом углерода четырехвалентен. Что входит в это число? Атомы углерода связаны друг с другом и с атомами водорода. Минимально возможное число связей C–С равно ( n –1) – оно необходимо, чтобы углеродный скелет не имел разрывов. В каждой такой связи участвует два атома углерода, поэтому число валентностей, расходуемых на связи C–С, равно 2( n –1). Остальные 4n – 2( n –1) = 2n + 2 валентностей расходуются на связи C–H. Водород одновалентен, поэтому число его атомов равно числу связей C–H: x = 2n + 2. Доказательство закончено.

Слайд 7

Многие физические величины, используемые для описания химических веществ и реакций, могут принимать только неотрицательные значения: масса, объем, концентрация, скорость реакции и др. Химикам часто приходится решать задачи на расчет состава равновесной смеси. В них возникают полиномиальные уравнения относительно доли превращения исходных веществ в продукты. Согласно основной теореме алгебры полином n-ой степени имеет ровно n корней, среди которых могут быть и комплексные. Однако во всех уравнениях, возникающих в химии, только один корень имеет химический смысл. Какие ограничения накладывает химия на решение математических задач?

Слайд 8

В химии нет иррациональных чисел. Иррациональное число содержит бесконечное число знаков в десятичной записи. Химия – наука экспериментальная, она оперирует с результатами измерений, которые выражаются или целыми числами, или дробными, но полученными с конечной точностью, как правило, не более 4 значащих цифр. Например, показатель преломления вещества может быть равен 1.414, но не бывает равным √2. Поэтому числа π и e , часто возникающие в химических расчетах, обычно округляют до 3.14 и 2.72, соответственно. Какие ограничения накладывает химия на решение математических задач?

Слайд 9

В химии нет понятия «бесконечность». Число атомов в наблюдаемой части Вселенной очень велико, и, конечно, поэтому в природе нет бесконечно больших величин. Каковы же самые большие числа, используемые химиками? Число атомов во Вселенной оценивается как 10 50 , на Земле – 10 80 атомов, в человеческом организме их примерно 10 27 . В статистической термодинамике возникает число способов перестановки одинаковых молекул в порции жидкого вещества, которое равно N!, где N ~ 10 23 . Для оценки этого числа используем формулу Стирлинга: ln ( 10 23 !) ≈ 10 23 ln( 10 23 ) − 10 23 ≈ 5 ⋅ 10 24 10 23 ! ≈ exp ( 5 ⋅ 10 24 ) ≈ 10 Какие ограничения накладывает химия на решение математических задач? 2 . 10 24

Слайд 10

Симметрия в химии Симметрия – одно из основных понятий в современной науке. Она лежит в основе фундаментальных законов природы, таких как закон сохранения энергии. Симметрия – очень распространенное явление в химии: практически все известные молекулы либо сами обладают симметрией какого-либо рода, либо содержат симметричные фрагменты. В химии труднее обнаружить несимметричную молекулу, чем симметричную.

Слайд 11

Дифференциальные уравнения в химии Химия изучает свойства веществ и их зависимость от условий – температуры, давления, концентрации. Поэтому химикам часто приходится исследовать функции одной или нескольких переменных. Как известно, основной способ исследования функции – анализ ее производной. Некоторые законы химии имеют дело с производными и устанавливают правила, по которым можно рассчитать производные и найти искомые функции. В первую очередь это касается химической кинетики – науки о скоростях и механизмах химических реакций. Скорость химической реакции показывает, насколько быстро увеличивается количество продуктов реакции и уменьшается количество исходных веществ (реагентов). Она обычно определяется как производная от концентрации продуктов по времени. Например, для реакции изомеризации вида A → B скорость реакции r , по определению, равна: r ( t ) = С В ′ ( t )

Слайд 12

Графическое представление молекул и их свойств – теория графов в химии Изучение связи свойств веществ с их строением – одна из основных задач химии. Большой вклад в ее решение внесла структурная теория органических соединений, в число создателей которой входит великий российский химик Александр Михайлович Бутлеров (1828-1886). Именно он первым установил, что свойства вещества зависят не только от его состава (молекулярной формулы), но и от того, в каком порядке связаны между собой атомы в молекуле. Такой порядок назвали «химическим строением». Идея о том, что порядок соединения атомов имеет ключевое значение для свойств вещества, легла в основу представления молекул с помощью графов, в которых атомы играют роль вершин, а химические связи между ними – ребер, соединяющих вершины. В графическом представлении длины связей и углы между ними игнорируются. Молекулы изображаются следующими графами: Бутлеров А.М.

Слайд 13

Графы – это математические объекты, поэтому их можно характеризовать с помощью чисел. Строение молекул можно выражать числами, которые связаны со структурой молекулярных графов. Эти числа в химии называют «топологическими индексами». Рассчитав какой-либо топологический индекс для большого числа молекул, можно установить связь между его значениями и свойствами веществ, и затем использовать эту связь для предсказания свойств новых, еще не синтезированных веществ. Первоначально топологические индексы разрабатывались только с целью предсказания физико-химических свойств веществ. Однако впоследствии их стали применять и для решения других задач. Одно из приложений топологических индексов связано с классификацией органических соединений и созданием органических баз данных. Наиболее перспективные применения топологических индексов связаны с разработкой лекарственных препаратов и других биологически активных веществ. Т еория графов в химии

Слайд 14

Молекулярные графы, применяемые в стереохимии и структурной топологии, химии кластеров, полимеров и др., представляют собой неориентированные графы, отображающие строение молекул. Вершины и ребра этих графов отвечают соответственно атомам и химическим связям между ними. Молекулярные графы и деревья: а, б - мультиграфы соотв. этилена и формальдегида; в – молекулы изомеров пентана (деревья 4, 5 изоморфны дереву 2) Теория графов в химии

Слайд 15

Основная область интересов - это математическое моделирование гипотетически возможных физико-химических и химических явлений и процессов, а так же их зависимость от свойств атомов и структуры молекул. Математическая химия допускает построение моделей без привлечения квантовой механики. Критерием истины в математической химии являются математическое доказательство, вычислительный эксперимент и сравнение результатов с экспериментальными данными . В математической химии разрабатывают новые приложения математических методов в химии. Новизна обычно выражается одним из двух способов: развитие новой химической теории; развитие новых математических подходов, которые позволяют проникнуть в суть или решить проблемы химии. Модели математической химии— это закон действующих масс, созданный математиком К. Гульдбергом и химиком-экспериментатором П. Вааге , граф механизма химических превращений и дифференциальные уравнения химической кинетики. Один из создателей «химической динамики» Вант -Гофф писал о себе: «Двойное стремление: к математике, с одной стороны, и к химии — с другой, проявилось во всех моих научных устремлениях». Математическая химия — раздел теоретической химии, область исследований, посвящённая новым применениям математики к химическим задачам

Слайд 16

« При каждом вдохе вы захватываете столько молекул, что если бы все они после выдоха равномерно распределились в атмосфере Земли, то каждый житель планеты при вдохе получил бы две-три молекулы, побывавшие в ваших легких», Для данного расчета не надо учитывать все население Земли, достаточно одного единственного человека. Вы делаете обычный вдох – выдох, задержав дыхание дожидаетесь, когда порция выдохнутого воздуха перемещается со всей атмосферой планеты, и снова делаете вдох. Проверим алгеброй дыхательную гармонию. Вдох – выдох –вдох! Пример математического моделирования При каком объеме вдоха –выдоха выполняется «утверждение о двух молекулах»

Слайд 17

Общее число молекул земной атмосферы N , а вдох и выдох содержат по * N молекул. После вдоха –выдоха доля меченных молекул в земной атмосфере*. Таким же должно быть отношение и во втором вдохе (« вдохе каждого жителя планеты»), которое по условию равно2/ *N . Отсюда следует: *N/N = 2/*N или *N = (нахождение среднего геометрического) масса земной атмосферы = 5,2 . 10 21 г молярная масса воздуха М = 29 г/моль постоянная Авогадро N A = 6 . 10 23 моль -1 объем спокойного вдоха (выдоха) V = 400 – 600мл молярный объем газа V m = 24 л/моль n – количество вещества атмосферы Вдох – выдох –вдох! Пример математического моделирования

Слайд 18

Пересчитаем число молекул на соответствующий объем вдоха –выдоха . * V при обычных условиях(нормальное давление и комнатная температура) Сравнивая значения V и *V видим, что «утверждение о двух молекулах» справедливо для верхней границы спокойного дыхательного объёма. Однако для большей надежности лучше говорить не о двух –трех, а об одной возвратной молекуле воздуха. Вдох – выдох –вдох! Пример математического моделирования

Слайд 19

Рассмотрено всего несколько примеров, показывающих, как математика используется в химии. Они дают определенное, хотя, конечно, неполное представление о задачах, решаемых химиками с помощью математики, и ограничениях, которые химия накладывает на применяемую в ней математику. История науки говорит о том, что на границах различных областей знания могут происходить очень интересные события. И хотя химики и математики мыслят совсем по-разному, те случаи, когда им удается взаимодействовать, приводят к появлению красивых и нетривиальных результатов и способствуют обогащению обеих наук. Роль математики в химии

Слайд 20

http://www.chem.msu.su/rus/books/2010 http://ru.wikipedia.org/ http://www.maratakm.ru/index_files/14.htm http://www.o8ode.ru/article/learn/mathmodel.htm http://him.1september.ru/view_article.php?id=201000710 Список использованных информационных ресурсов