Авторитетность издания
Добавить в закладки
Следующий номер на сайте
Программа с элементами искусственного интеллекта для оценки реакционной способности радикальных реакций
Аннотация:
Abstract:
Авторы: Туманов В.Е. (tve@icp.ac.ru) - Институт проблем химической физики РАН, г. Черноголовка, кандидат химических наук | |
Ключевые слова: радикальные реакции, интеллектуальный анализ, модель пересекающихся порабол |
|
Keywords: , intelligent analysis, |
|
Количество просмотров: 12285 |
Версия для печати Выпуск в формате PDF (2.59Мб) |
В результате научных исследований накоплены огромные массивы научных данных о характеристиках химических реакций (константах скорости, энергиях активации, энтальпиях реакции) и о свойствах реагентов (энтальпиях образования молекул и радикалов, потенциалах ионизации и т.д.). Эти данные размещаются в электронных коллекциях данных и часто публикуются в Интернете. Несмотря на доступность данных о реакционной способности реагентов в химических реакциях, при конструировании технологических процессов и моделировании явлений в экологии и медицине химики принимают решения о скорости протекания реакций по аналогии.
Интеллектуальный анализ накопленных электронных данных о характеристиках химических реакций позволяет во многих случаях находить эмпирические зависимости и строить на их основе классификацию реакций, которую можно использовать для предсказания скорости протекания химических реакций. Это даст возможность в ряде случаев получить надежные оценки констант скорости и энергий активации химических реакций. Константа скорости радикальной элементарной реакции характеризует скорость взаимодействия реагентов (радикала и молекулы) в жидкой или газовой среде. Как правило, константа скорости реакции связана с экспериментальной энергией активации Е и предэкспоненциальным множителем A0 в расчете на одну эквиреакционную связь в молекуле соотношением Аррениуса [1]: k=n´A0exp(-E/RT), (1) где n - число эквиреакционных связей в молекуле-реагенте; T – температура в К; R – универсальная газовая постоянная. Экспериментальное определение констант скорости является сложной экспериментальной задачей, и во многих практических случаях ее теоретическая оценка является актуальной. Эмпирическая классификация радикальных реакций. В начале 90-х годов прошлого века профессор Е.Т. Денисов [2] эмпирически установил наличие параболического тренда между корнем квадратным из классического потенциального барьера радикальной реакции () и ее энтальпией (DHe): , (2) где a, b, c – некоторые эмпирические коэффициенты. Интерпретация тренда (2) была дана Е.Т. Денисовым в предложенной им модели элементарной бимолекулярной реакции – модели пересекающихся парабол (МПП) [2]. В рамках этой эмпирической модели реакция радикального отрыва рассматривается как результат пересечения двух потенциальных кривых, одна из которых описывает потенциальную энергию колебания атома Н вдоль разрываемой связи в исходной молекуле, а другая – потенциальную энергию колебания того же атома вдоль образующейся связи в продукте реакции. Валентные колебания атома Н в реагентах рассматриваются как гармонические и описываются параболическим уравнением. В МПП радикальная реакция характеризуется следующими параметрами: 1) энтальпией DHe, включающей разницу энергий нулевых колебаний рвущейся и образующейся связей; 2) классическим потенциальным барьером активации Ee, который включает в себя энергию нулевого колебания рвущейся связи; 3) параметром re, который равен суммарному растяжению в переходном состоянии рвущейся и образующейся связей; 4) параметром b (2b2 - силовая постоянная рвущейся связи); 5) параметром a (a2 равен отношению силовых постоянных рвущейся и образующейся связей). Перечисленные параметры связаны друг с другом соотношением: bre=. (3) Модель МПП позволяет построить эмпирическую классификацию радикальных реакций. Условием классификации радикальных реакций в рамках МПП (мерой сходства) является постоянство параметра bre для набора однотипных реакций. Набор числовых признаков (параметров), характеризующих реакцию, определяет для МПП метрическое пространство параметров. В этом пространстве реакция представляется точкой, класс реакций – кластером близко лежащих точек, а метрикой выступает параметр bre. Классификация радикальных реакций отрыва была разработана путем статистической обработки данных из банка данных по константам скоростей радикальных жидкофазных реакций [3], базы данных NIST [4] по термохимическим данным и по фрагменту базы данных по энергиям диссоциации связей органических молекул [5]. В основу классификации был положен принцип объединения в одну группу радикальных реакций со схожими реакционными центрами. Далее выделенная группа реакций исследовалась на основе МПП. Класс является набором однотипных реакций, значение кинетического параметра bre остается постоянным в пределах погрешности вычислений (± 0,5). Представление знаний. МПП позволяет по экспериментальным данным разделить все многообразие радикальных реакций на классы, каждый из которых характеризуется одинаковым набором параметров: a, bre, 0.5hLnR-H и A0, а индивидуальная реакция внутри одного класса – энтальпией DHe и энергией активации E. Совокупность классов реакций и значений параметров каждого класса образует базу знаний (БЗ), которая может быть использована для прогноза (оценки) энергии активации и константы скорости радикальной реакции (1) по термохимическим данным. Для представления знаний о радикальных реакциях в БЗ выбрана продукционная модель: (i): Q; P; AÞB; N, (4) где i – имя продукции; Q – сфера применения продукции; P – условие применимости ядра продукции; AÞB – ядро продукции; N – постусловия продукции. В БЗ продукция представляется в виде таблицы правил и таблицы фактов. Таблица правил содержит ядра продукций в виде пары объектов <условие>–<вывод>. Например, ЕСЛИ радикал=алкильный И молекул парафин ТО класс=R1+R1H. Таблицы фактов содержат описание параметров класса, параметров радикала и параметров молекулы (например, табл. 1). Таблица 1 Фрагмент таблицы фактов базы знаний для радикальных реакций отрыва в рамках модели пересекающихся парабол
Примечание: Н – атом водорода; R1 – алкильный радикал; R2 – алильный радикал; R3 – алкилароматический радикал. Программа оценки реакционной способности с использованием базы знаний. По известной величине параметра bre можно корректно рассчитывать энергию активации любой индивидуальной реакции в пределах данного класса реакций. Объединение разработанных в рамках МПП методов расчета и построенной БЗ позволило разработать программу с базой знаний для оценки энергии активации (константы скорости) радикальной реакции. Программа в результате диалога с пользователем реализует вопрос-ответное отношение, заданное в виде предиката, истинность которого определяет возможность выполнения расчета. В процессе обработки предиката программа обращается к БЗ для отнесения реакции к соответствующему классу и извлечению параметров класса, а также к БД термохимических данных для определения энтальпии реакции. Обязательными входными числовыми параметрами являются температура и число одновременно атакуемых связей. Если термохимических параметров в базе данных недостаточно для определения энтальпии реакции, то следует запрос пользователю, но оценка энергии активации при этом не считается достоверной с точки зрения программы. Пример оценки энергии активации приведен в таблице 2. Таблица 2 Энергия активации реакций нитрорадикалов с C-H-связью органических соединений R·+RiH®RH+Ri· при Т=333 К
В результате публикации в Интернете программы оценки реакционной способности радикальных реакций химики-исследователи, химики-технологи, студенты, аспиранты и преподаватели вузов получат возможность оценивать такие реакции в жидкой и газовой фазах в режиме он-лайн. Список литературы 1. Кондратьев В.Н. Константы скорости газофазных реакций. – М.: Наука, 1970. 2. Денисов Е.Т. Новые эмпирические модели реакций радикального отрыва. // Успехи химии. – 1997. – Т. 66. – № 10. – С. 953. 3. Денисов Е.Т., Туманов В.Е., Денисова Т.Г., Дроздо- ва Т.И., Покидова Т.С. Реализация банка кинетических констант радикальных жидкофазных реакций на IBM PC. – Черноголовка, 1992. (Препринт ИХФЧ РАН). – 38 с. 4. NIST Standard Reference Database 19A. Positive Ion Energetics. Ver. 2.02. 1994. 5. Туманов В.Е., Денисов Е.Т. База данных по энергиям диссоциации связей углеводородов и их производных. // Нефтехимия. – 2003. – Т. 43. – № 1. – С. 65–67. |
Постоянный адрес статьи: http://swsys.ru/index.php?page=article&id=1582 |
Версия для печати Выпуск в формате PDF (2.59Мб) |
Статья опубликована в выпуске журнала № 3 за 2008 год. | |
Статья находится в категориях: Разработка программных приложений | |
Статья относится к отраслям: Химическая промышленность, Экология |
Возможно, Вас заинтересуют следующие статьи схожих тематик: