Н. В. Перцев планирование и математическая обработка результатов химического эксперимента учебное пособие



страница2/46
Дата26.06.2015
Размер4.46 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   46

Глава 1
Методология эксперимента




  1. 1.1. Цели научных исследований


Прежде чем начать исследование, химику стоит задуматься о том, какова его цель. В ходе изучения некоторого нового объекта (химическая реакция, технологический процесс, методику анализа, способ синтеза, спектр вещества и т. п.), мы создаем его описание – модель. Весьма важно, хотя и не всегда удается, довести точность описания до математической модели – набора уравнений, по которому мы сможем прогнозировать свойства объекта или его поведение в разных условиях. Способы проведения научных исследований и, в частности, способы моделирования – существенно зависят от того, какое исследование проводится: фундаментальное или прикладное.

Цель фундаментальных естественнонаучных исследований познание природы, установление ранее не известных, но объективно существующих фактов и закономерностей. Человечество всегда стремилось к осознанию окружающего мира, это стремление было и остается самоцелью, независимой от сиюминутных материальных потребностей людей. Непосредственной пользы обществу, как и самому исследователю фундаментальные исследования могут и не дать, однако результаты фундаментальных исследований важны не только для удовлетворения здорового любопытства ученого. Это его вклад в постепенно накапливающиеся знания человечества об окружающем мире; те обобщенные знания, на которых основывается любая деятельность.

Конечно, фундаментальные исследования могут попутно привести к полезным результатам, но это не обязательно. Исследования электричества привели к изобретению электромотора, а исследования гравитации ни к чему «полезному» пока что не привели. Нельзя заранее предвидеть, будет ли вообще польза для человечества (государства, института, фирмы и т. п.) от данного фундаментального исследования, когда и как эта польза выявится, и т. п. Исследования урана в 20-ые и 30-ые годы ХХ века имели фундаментальный, чисто теоретический характер. Практического применения этот металл не имел, и исследователей, занимавшихся в советских научных институтах изучением химических свойств урана, упрекали в бесполезном расходовании народных средств. Тогда никто не мог предполагать, какую практическую важность приобретет «урановый проект» в 40-е и 50-е годы XX века, насколько важными для СССР окажутся ранее полученные данные о химических и физических свойствах урана…

В фундаментальных исследованиях математическую модель обычно создают на основе научной гипотезы, например, о механизме изучаемого процесса (построение гипотез рассматривается в разделе 1.2). От гипотезы к модели переходят, применяя известные и общепринятые законы и алгоритмы. Так, кинетические модели химических процессов основываются на предположениях о том, какие частицы будут участвовать в лимитирующей стадии реакции и как именно они будут взаимодействовать. При построении таких моделей используются фундаментальные законы химической кинетики, например уравнение Аррениуса. Другим примером может быть моделирование равновесного состава реакционных смесей. Его ведут на основе гипотезы о процессах, которые происходят в данной смеси, а для расчета используют условие материального баланса и закон действующих масс. Таким образом, математическая модель создается до проведения основного эксперимента, только на основании априорных знаний и предположений исследователя. Эти модели называют содержательными или физико-химическими. Цель последующих экспериментов – подтвердить или опровергнуть правильность такой модели, а тем самым и правильность исходной гипотезы.

Фундаментальными исследованиями во всем мире занята лишь относительно небольшая часть ученых. Большинство же занято прикладными исследованиями, направленными на достижение немедленной практической пользы. В ходе этих исследований мы не столько изучаем природу некоторого объекта, сколько ведем оптимизацию, то есть отыскиваем условия, в которых объект в максимальной степени проявляет желаемые свойства, важные в практическом отношении. Это совершенно другая цель, и прикладные исследования ведут во многом иначе, чем фундаментальные.

В частности, в прикладных исследованиях возможен и даже целесообразен совершенно иной подход к моделированию, чем в фундаментальных. Модель получают без привлечения теоретических представлений о строении вещества, о механизме реакции и т. п., нередко вообще без выдвижения каких бы то ни было научных гипотез. Модель выводят только из экспериментальных данных, используя расчетные (статистические) методы. Не следует переоценивать научную значимость таких моделей (их называют эмпирическими, феноменологическими, а чаще статистическими), но они безусловно полезны. С их помощью можно прогнозировать свойства объекта в новых, еще не испытанных опытным путем условиях. Статистическая модель позволит также выйти на оптимальные условия проведения процесса. Например, с помощью статистической модели можно прогнозировать, в каких именно условиях будет достигнут 100 %-ый выход продукта реакции. Сразу же оговоримся, что статистическое моделирование – не единственный способ оптимизации, хотя этот способ используется весьма часто.

Четко отделить фундаментальные исследования от прикладных, а проверку научных гипотез от эмпирического описания и применения каких-либо процессов удается далеко не всегда. Многие исследования направлены одновременно на достижение обеих целей1. Однако большинство химических исследований связано либо с построением и изучением теоретически обоснованных моделей, либо с оптимизацией каких-либо объектов (процессов) на основе статистических моделей. Примеры приведены в табл. 1.


Таблица 1

Исследования в разных областях химии
в зависимости от их цели


Область
исследованийХарактер и цельФундаментальное
исследование, содержательные моделиПрикладное исследование, оптимизация
с применением статистических моделейорганическая химия,
физическая
химияИзучение кинетики и равновесия некоторой перегруппировки, выявление механизма реакцииВыбор температуры и растворителя для достижения максимального выхода продукта реакциианалитическая химияИзучение зависимости времен удерживания веществ (в методе ГЖХ) от структуры молекул этих веществНахождение условий, обеспечивающих максимальное значение коэффициента хроматографического разделенияэлектрохимияВыявление факторов, влияющих на скорость коррозии, исследование механизма коррозииПоиск наиболее эффективных ингибиторов коррозии для некоторого типа сталихимическая технология, физическая
химия

Исследование активности катализаторов риформинга, выяснение причин их неселективностиПодбор оптимального режима риформинга, поиск катализатора, устойчивого к сероводороду

Статистические (эмпирические) модели полезны и при проведении фундаментальных исследований, но лишь как лаконичный способ записи полученных экспериментальных данных, как сырой материал для теоретически обоснованных интерпретаций и обобщений. Оба подхода к созданию моделей – детерминированный и статистический хорошо дополняют друг друга, исследователь выбирает тот или другой в зависимости от изученности объекта и от целей исследования.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   46


База данных защищена авторским правом ©zubstom.ru 2015
обратиться к администрации

    Главная страница