Евсеева Е.Ю.

Инновационный Евразийский Университет, Казахстан

Использование вычислительной системы MathCAD для решения задач по неорганической химии на примере оксида алюминия

Современные вычислительные системы позволяют решать задачи различной сложности за короткое время, предоставляя наглядные и простые для освоения методы. Одной из таких вычислительных систем, с помощью которых можно решать задачи по химии различной сложности является MathCAD [1].

MathCAD – это многофункциональная интерактивная вычислительная система, отличающаяся простым и удобным интерфейсом, написанием выражений стандартными математическими символами, хорошей двух- и трехмерной графикой [2].

MathCAD позволяет легко получать численные решения таких задач, которые не имеют аналитических решений, например определение массы оксида алюминия при сжигании его в кислороде, определение массы гидроксида алюминия, необходимого для получения оксида алюминия, определение массовой доли алюминия в его оксиде.

Оксид алюминия играет важную роль в неорганической химии.

Оксид алюминия (Al₂O₃) – представляет собой белый тугоплавкий порошок или очень твердые белые кристаллы [3]. В природе оксид алюминия распространён как глинозём.

Физические свойства оксида алюминия представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Физические свойства оксида алюминия

Свойства	Алюминий
Химическая формула	Al2O3
Плотность	3,97 г/см³
Температура плавления	2053 °C
Температура кипения	3000 °C
Твердость по Моосу	9
Растворимость	не растворим в воде, хорошо растворяется в горячих растворах и расплавах щелочей

Рассмотрим химические свойства оксида алюминия.

α-Al₂O₃ является химически инертным, благодаря своей прочной кристаллической решетке. При температуре около 1000°С оксид алюминия взаимодействует со щелочами и карбонатами щелочных металлов с образованием алюминатов по следующим реакциям:

Al₂O₃ + 2KOH = 2KAlO₂ + H₂O;

Al₂O₃ + Na₂CO₃ = 2NaAlO₂ + CO₂.

Взаимодействие с растворами кислот дает средние соли алюминия, а с растворами оснований – комплексные соли – гидроксоалюминаты металлов:

Al₂O₃ + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂O;

Al₂O₃ + NaOH + 7H₂O = 2Na[Al(ОН)₄(Н₂О)₂]

Оксид алюминия проявляет амфотерные свойства, которые выражаются при взаимодействии с кислотными и основными оксидами с образованием солей:

Al₂O₃ + 3SO₃ = Al₂(SO₄)₃ (основные свойства),

Al₂O₃ + Na₂O = 2NaAlO₂ (кислотные свойства).

Получают оксид алюминия из бокситов, нефелинов, каолина, алунитов.

Сферы применения оксида алюминия:

- производство алюминия;

- производство огнеупорных материалов;

- для изготовления лазеров;

- для изготовления и синтетических драгоценных камней (рубины, сапфиры и др.);

- используется в качестве электроизолирующего материала;

- для изготовления керамики;

- β-оксид алюминия используется в качестве твердого электролита;

- γ-Модификация оксида алюминия применяется в качестве носителя катализаторов, сырья для производства смешанных катализаторов, осушителя.

Задачи по неорганической химии на примере оксида алюминия можно решить, используя компьютерную вычислительную систему Mathcad.

Данная система для математических расчетов в настоящее время широко применяется в мире в инженерных и научных расчетах.

Достоинством этой программы является то, что она поможет студенту, инженеру решить задачи любой сложности за короткое время на компьютере.

Рассмотрим некоторые задачи на примере оксида алюминия.

Найдем массу оксида алюминия:

Рассмотрим задачу на нахождение массы гидроксида алюминия при получении оксида алюминия.

Рассмотрим задачу на нахождение массы оксида алюминия при сжигании алюминия в кислороде.

Приведенные в данной статье численные решения химических задач в среде Mathcad показывают, что применение вычислительных систем при решении задач по химии ускоряет процесс вычислений, повышает надежность и достоверность вычислений за приемлемое время.

Таким образом, Mathcad является мощной и в то же время простой универсальной системой для решения задач, которая используется различными отраслями науки и техники, в том числе и в химии.

Литература:

1) Очков В.Ф. Mathcad 14 для студентов и инженеров: русская версия БХВ-Петербург 2009.

2) Холоднов В.А. Системный анализ и принятие решений. Компьютерное моделирование и оптимизация объектов химической технологии в MathCad и Excel. –С.-П., 2007. – 434 с.

3) Волков А.И., Жарский И.М. Большой химический справочник - Мн.: Современная школа, 2005. - 608 с.

4) Гордон А., Форд Р. Спутник химика: физико-химические свойства, методики, библиография. – М.: Мир, 1976.