Témavezető: Turányi Tamás
Kémiai reakciók tanulmányozásakor elsőként azt szokták felderíteni,
hogy a reaktánsokból milyen végtermékek keletkeznek. Ez után vizsgálhatják azt,
hogy a termékösszetétel hogyan változik a reakciókörülmények (pl.
hőmérséklet, nyomás, kezdeti koncentrációk) változtatásával. Egy kémiai
reakció teljes megismerését mutatja, ha felírják a részletes
reakciómechanizmusát. Ez tartalmazza valamennyi fontos reakciólépést és a
sebességi együtthatók hőmérséklet- és nyomásfüggését. Elterjedt részletes
reakciómechanizmusok alkalmazása égések, valamint légkörkémiai, vegyipari és
anyagtudományi folyamatok leírására. Az utóbbira példa a mikroelektronikában
alapvetően fontos „kémiai gőzlerakódás” módszere (chemical vapour
deposition, CVD). Az utóbbi évek fejleménye, hogy részletes
reakciómechanizmusok jelentek meg a sejtekben lejátszódó biokémiai folyamatok
leírására.
A részletes reakciómechanizmusokon alapuló vizsgálatok felhasználhatók
arra, hogy új kémiai ismereteket szerezzünk. A számítások alapján meg lehet
becsülni olyan anyagfajták koncentrációját, amelyek az adott rendszerben
technikai okokból jelenleg nem mérhetők. A mechanizmusok kinetikai
analízise alapján megtudható, hogy melyek az adott körülmények között
legfontosabb reakcióutak, és hogy milyen kölcsönhatás van az egyes
részfolyamatok között. A mechanizmusok és az azokon alapuló modellszámítások
felhasználhatók olyan technológiák kifejlesztésére, amelyek alkalmazásakor jobb
minőségű terméket állítanak elő, kevesebb melléktermék és
szennyezőanyag keletkezése mellett, hatékonyabb energiafelhasználással. A
légkörkémiai szimulációk arra adhatnak választ, hogy a levegőszennyezés
káros következményei milyen beavatkozásokkal csökkenthetők
leghatékonyabban. A jelenleg kizárólag alapkutatási szempontból érdekes
reakciórendszerek esetén is a kinetikai analízis ezeknek a rendszereknek egy
sokkal mélyebb megértéséhez vezethet el.
1. feladat: Robbanások és lángok számítógépes
modellezése
szükséges ismeretek: Reakciókinetika alapjai, készség számítógépi
programok használatára.
- A hidrogén, a szénmonoxid és a metán égése az égéskémia legalapvetőbb folyamatai közé tartozik. Ez az oka annak, hogy a folyamatosan új cikkek jelennek meg az egyes reakciólépések vizsgálatáról. A feladat olyan új reakciómechanizmus kifejlesztése, amely a legújabb kísérleti adatokat is tartalmazza és az eddigieknél pontosabban írja ezeknek az anyagoknak az égését.
- Az egyes anyagok égését leíró modellek továbbfejlesztésekor általában csak a reakciósebességi paraméterek (Arrhenius együtthatók, nyomásfüggést leíró paraméterek) javítására és felülvizsgálatára összpontosítanak. A transzport paraméterek (a diffúzió leírása többkomponensű és változó hőmérsékletű rendszerekben) és az M „harmadik test” ütközési hatékonyságát leíró paraméterekre általában az évtizedekkel azelőtti, becsléssel kapott értékeket használják. A feladat ez utóbbi paraméterek legújabb kutatások szerinti értékének és azok bizonytalansági határainak meghatározása irodalmazás alapján, majd annak számítógépes vizsgálata, hogy a szimulációs eredmények (lángsebesség, koncentráció-profilok) hogyan függenek a paraméterek bizonytalanságától.
2. feladat: Levegőszennyezés kialakulásának és
terjedésének modellezése
Szükséges ismeretek: Reakciókinetika alapjai, készség számítógépi programok
használatára.
Korábban kifejlesztettünk egy számítógépes programot Magyarország fotokémiai levegőszennyezettségének szimulációjára. Ennek alapján meteorológiai adatok felhasználásával két napra előre számítható a levegő minősége Magyarország tetszőleges pontjára, illetve pontosan és részletesen lehet korábbi nagy szmogeseményeket elemezni. A feladat a modell kémiai kinetikai részmodelljének felújítása a legújabb közlemények alapján és annak alkalmazása levegőszennyezettség számításokban.
3. feladat: Mi nem igaz az
egyetemi tankönyvekben?
Szükséges ismeretek: Reakciókinetika alapjai, készség számítógépi
programok használatára.
Az összes fizikai kémia és reakciókinetika tankönyv tartalmaz “példa” reakciómechanizmusokat és bemutat azokkal kapott számítási eredményeket. Úgy tűnik, hogy az eredeti számításokat nagyrészt az ötvenes években végezték el, az akkori kémiai ismeretek alapján. Az ábrák és megállapítások azonban könyvről könyvre szállnak, pedig egy részük nem igaz vagy nem pontos. A feladat a reakciókinetikai adatbázisok alapján a mechanizmusok felújítása, a számítások elvégzése és ezek alapján a szokásos tankönyvi megállapítások megerősítése vagy felülbírálata.
4. feladat: Összetett reakciórendszerek modelljeinek
vizsgálata matematikai módszerekkel
Szükséges ismeretek: Reakciókinetika alapjai, matematikai analízis és
statisztikai módszerek ismerete, egy programozási nyelv ismerete
Az összetett kémiai kinetikai rendszerek modelljeinek vizsgálata a legtöbb esetben kimerül abban, hogy azokat néhány jellemző reakciókörülménynél alkalmazzák és a kapott eredményeket összehasonlítják a mérési adatokkal.
Az összetett kinetikai modellek általában csatolt közönséges vagy parciális differenciálegyenlet-rendszerek. A feladat korábban kifejlesztett matematikai módszerek alkalmazása, vagy új módszerek kifejlesztése a modellek vizsgálatára és az eredmények kémiai értelmezése. Égések, légkörkémiai rendszerek és biokémiai kinetikai rendszerek modelljeinek időskála-, lokális érzékenység- és globális bizonytalanság-analízise alapján gyakran lehet alapvetően új és meglepő kémiai ismeretekhez jutni.
További olvasmányok, hasznos linkek:
Égések számítógépes szimulációja az ELTE Fizikai Kémiai
Tanszékén
Kémiai
folyamatok kinetikájának leírása részletes reakciómechanizmusok alapján