Химия сродни не только искусству, но и волшебству. Многие химические опыты, сопровождающиеся неожиданным изменением цвета, объема или агрегатного состояния, производят на непосвященных людей магическое впечатление. Химикам присущ уникальный, характерный только для них, взгляд на окружающий мир. Химики должны проявлять такие характеристики креативной личности, как быстрота, точность, оригинальность мышления, богатое воображение, самообладание, мобильность, инновационность и уверенность в себе. Креативный химик всегда «чувствует вещество». Это проявляется и в лаборатории, где создаются рецепты синтеза новых веществ, и в быту, где, например, бывает нужно подобрать подходящий клей или растворитель. Современные креативные химики при изучении химических процессов используют законы математики.
Для описания веществ и реакций используют теории, в которых роль математики настолько велика, что иногда трудно понять, где химия, а где математика. Отсюда следует, что и химия немыслима без математики.
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. Выражение «математическая химия» прочно вошло в лексикон химиков. Многие статьи в серьезных химических журналах не содержат ни одной химической формулы, зато изобилуют математическими уравнениями.
Приложения математики в химии обширны и разнообразны. Ограниченности объема нашей статьи не позволяет нам показать много примеров, покажем это на двух примерах.
Пример 1. Простое уравнение 12x + y = 16 в математике 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.
Пример 2.Скорость химической реакции – это изменение количества вещества в единицу времени: для гомогенных процессов – в единице объема, для гетерогенных процессов – на единице поверхности раздела фаз. Математическая запись этого определения может быть записана: в виде
или 
где N – количество вещества; t – время; V – объем; s – поверхность раздела фаз.
Пример 3. В радиоволновом распад можно использовать дифференциального уравнения. Если N(t) – число не распавшихся частиц, то в соответствии с законом радиоактивного распада скорость распада пропорциональна числу не распавшихся частиц и следовательно можно найти период полураспада (τ1/2), т.е. время, за которое распадается половина вещества, с помощью дифференциального уравнения:
Вот лишь несколько примеров многогранности математике 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.
Библиографическая ссылка
Некрылов С.C., Кузьмин С.Ю. МАТЕМАТИКА НА СЛУЖБЕ У ХИМИИ ИЛИ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ В ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ. // Современные наукоемкие технологии. – 2014. – № 5-2. – С. 227-228;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=34092 (дата обращения: 22.11.2024).