Автоматизированная система для исследования кинетики быстрых химических реакций (стр. 3 из 3)
Доказательства надежности метода базируются на тщательном исследовании метода непрерывной струи. Это исследование показало, что для известных смесительных камер и обычно используемых скоростей потока смешивание является практически полным. Характер потока вблизи смесительной камеры приближается к одномерному потоку, а дальше распределение скоростей не имеет значения; таким образом, в методе остановленной струи не будет той небольшой систематической ошибки, которая возникает в методе непрерывной струи, когда поток турбулентен. Можно пренебречь также ошибкой, связанной с шириной щели; если требуется высшая чувствительность, иногда используют пучки света шириной в несколько миллиметров. Длина светового пути обычно составляет около 2 мм, но ее можно увеличить до 20 мм, пользуясь тем, то для реакций первого порядка не возникает ошибки, если пучок света идет не поперек трубки, а вдоль нее.
Метод остановленной струи требует быстрой регистрации; это единственное существенное ограничение его применимости. Имея детектор с достаточно малой постоянной времени, метод остановленной струи можно использовать для исследования реакций с временами полпревращения от нескольких миллисекунд до секунд или даже минут. Для этого метода требуется значительно меньше жидкости (0,1-0,2 мл), что является большим преимуществом в тех случаях, когда исходные вещества или растворители трудно приготовить или очистить. Точность при определении констант скоростей этим методом примерно та же, что и при обычных кинетических измерениях (стандартное отклонение ±1-2%), и метод свободен от систематических ошибок.
2.2. Экспериментальная установка ОС-02
Кинетические измерения исследуемых реакций проводились на установке "Остановленная струя-02" (OC-02), блок-схема которой приведена на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Блок-схема установки для кинетических измерений:
1 – КФК; а – источник света; б – монохроматор; в – фотодиод;
2 – блок подачи реагентов; 3 – усилитель пост. тока; 4 – аналого-цифровой преобразователь; 5 – камера смешения-наблюдения
Принцип действия ОС–02 состоит в следующем: реагенты под действием давления на поршни подают из шприцев блока 2 в камеру смешения 5, где они смешиваются и смесь попадает в камеру наблюдения, эта подача осуществляется до механического упора. В момент остановки потока реагентов происходит замыкание контакта, расположенного на рычаге, двигающем поршни шприцев в блоке 2, это отмечается на графике и записывается в файле с данными измерения.
Луч света, пройдя через монохроматор б, через камеру наблюдения 5 попадает на фотодиод в, сигнал с фотометра усиливается усилителем постоянного тока 3, затем попадает на аналого-цифровой преобразователь АЦП 4, и после этого информация передается в ЭВМ, где и происходит ее обработка.
Ход измерения состоит в следующем: Оба шприца заполняются водой и вода запускается в камеру смешения. В это время происходит измерение 100% пропускания (при закрытой крышке фотометра) и 0% пропускания (при открытой крышке фотометра). В шприцы заливаются реагенты. После нажатия кнопки "Enter" на клавиатуре ЭВМ с помощью рычага растворы из шприцев вводят в камеру смешения, замыкается контакт и в ЭВМ поступает сигнал о начале измерения ОС–02. Время измерения задается при вводе количества точек измерения и величины временного интервала между точками. Таким образом, в результате измерения на мониторе изображается временная кривая изменения пропускания, начиная от нажатия кнопки "Ввод" и заканчивая последней точкой измерения. Момент остановки движения потока отмечается вертикальной чертой (меткой).
Коэффициент пропускания вычисляется по формуле:
(2.1)
Оптическая плотность вычисляется по формуле:
(2.2)
где: Ф и Ф0 — световой поток до и после камеры смешения соответственно, U100 и U0 — сигнал при закрытой и открытой крышке фотометра, UТ — текущее значение сигнала.
Установка ОС–02.
Назначение: приставка остановленная струя ОС–02 предназначена для наблюдения и измерения изменений оптической плотности быстро протекающих процессов в растворах. Приставка ОС–02 может применяться с фотоколориметрами типа КФК–1, КФК–3, СФ–26 и т. п.
Технические характеристики:
1) Спектральный диапазон. Определяется видом монохроматора. Для данного монохрохроматора диапазон составляет 315–990 нм.
2) Тип смешивания — двойной встречный поток.
3) Длина пути от камеры смешения до камеры измерения — 15 мм.
4) Длина оптического пути камеры измерения — 10 мм.
5) "Мертвое время" — не более 25 мсек.
6). минимальный временной интервал измерения — 1мсек.
7). количество временных точек измерения — до 10 тысяч.
8). Динамический диапазон АЦП — 212.
9). Предусмотрена возможность измерений в режиме
а) поглощения; б) оптической плотности.
10). Количество файлов, одновременно находящихся в памяти —
до 30.
11). Минимальный объем растворов для одного измерения 1 мл, далее порциями по 0,5 мл.
12). Объем камеры измерения 30 мкл.
При выборе рабочей длины волны следует учитывать не только зависимость изменения оптической плотности в ходе реакции, но и то, что чувствительность приемника и отношение сигнал/шум АЦП сильно зависит от длины волны, что представлено на рис. 2.2. Видно, что наиболее хорошие результаты могут быть достигнуты в интервале длин волн от 500 до 700 нм. В случае, когда реагенты и продукты реакции поглощают свет вне этого диапазона, следует повышать чувствительность АЦП и проводить усреднение по нескольким кинетическим кривым, снятым в одинаковых условиях.
Рис. 2.2. Спектральная чувствительность ячейки для кинетических измерений (дистиллированная вода, нулевой усилитель 358, усиление 7). По оси ординат отложена величина выходного сигнала АЦП.
ГЛАВА 3. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ КИНЕТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
3.1. Программный комплекс ОС-02
Программный комплекс для автоматизации кинетических измерений состоит из программ ОС-02 (непосредственное управление приставкой для кинетических измерений) и КИНО (вторичная обработка экспериментальных данных). Программа MODEL включена в качестве подпрограммы в программу КИНО.
Программа ОС-02 выполняет следующие функции: непосредственное управление таймером, аналогово-цифровым преобразователем, настройкой оптической части приборного комплекса; накопление и хранение сигналов АЦП, пересчет значений пропускания, поглощения и оптической плотности; графическая обработка экспериментальных кинетических кривых: масштабирование, выбор нужного участка кривой; сохранение экспериментальных данных в виде дискового файла и работа с архивом экспериментальных данных.
Программа КИНО функционирует в режиме командной строки. Входными данными для нее являются файл данных, подготовленный программой ОС-02 и файл кинетической схемы, которая записывается в виде матрицы коэффициентов и вектора начального приближения констант скорости. Результат работы программы — файл, содержащий оптимальные значения констант, оценки погрешности их определения и невязки экспериментальных и теоретических значений.
3.2. Интерфейс программного комплекса
Программа ОС-02 составлена на языке программирования С++ для IBM РС-совместимых персональных компьютеров и может работать под управлением операционной системы MS DOS версий 3.30 и выше.
Описание работы с программой:
Основное меню: ИЗМЕРЕНИЕ, ПАРАМЕТРЫ, ОТЛАДКА, ГРАФИКА, РЕЖИМ, ФАЙЛ, ВЫХОД.
ИЗМЕРЕНИЕ:
0% кюветы–измерение нуля пропускания
100% кюветы–измерение 100%-го пропускания
кнопки старт (старт 1) начало снятия показаний
задание усиления (сдвиг) нуля
задание усиления (чувствительность)
ПАРАМЕТРЫ:
число точек–задание числа точек измерения
шаг времени–задание интервала между точками (миллисек.)
комментарий–задание комментариев к файлу данных
нуль кюветы и 100% задаются вручную
язык–русский, английский
Меню ОТЛАДКА при кинетических измерениях не используется
ГРАФИКА:
график–вывод данных на дисплей
выбор–выбор конкретной кинетической кривой
показать–вывод на экран параметров выбранного файла
удалить–удалить выбранный файл
границы данных–выбор масштаба изображения
границы графика–выбор фрагмента изображения данных
режим–режим изображения данных: по интенсивности сигнала, по плотности, по пропусканию
ФАЙЛ:
дата–задание даты
сохранение–сохранение выбранного файла
Вывод–вывод на экран выбранного файла
ВЫХОД: выход из программы, осуществляется без записи имеющихся в памяти файлов
Ход работы с программой:
Выбирается режим вывода на экран кинетической кривой, наиболее простейший, рабочий вариант интенсивность.
С помощью меню ПАРАМЕТРЫ задаются число точек, шаг времени и комментарии будущего файла, затем осуществляется переход в меню ИЗМЕРЕНИЕ и заносится в память темновой ток (0 кюветы) и 100% производится настройка усиления и сдвига нуля(в камере смешения находится вода). После этого выбирается режим старт 1. В шприцы набираются реагенты, предварительно камера освобождается от пузырьков воздуха, затем нажимается кнопка "Ввод" ,т. е. осуществляется запуск измерений, затем быстро нажимается рычаг приводящий в движение поршни шприцев. По окончанию измерения выбирается меню ГРАФИКА нажимается режим выбор и выбирается нужная кинетическая кривая (файл). Если кинетическая кривая удовлетворительная то она записывается в меню ФАЙЛ.
ВЫВОДЫ
1. При решении обратной задачи химической кинетики ступень параметрической идентификации может быть автоматизирована при помощи соответствующего программного обеспечения.
2. Задача сбора и первичной обработки экспериментальных кинетических данных может быть возложена на автоматизированную приставку, управляемую ЭВМ.
3. Программный комплекс ОС-02 позволяет объединить два этапа в автоматизированную систему кинетических измерений.
литература
1. Бехли Е.Ю., Соловьянов А.А. Методы изучения быстрых реакций в растворах. — М.: Знание, 1976. — 59 с.
2. Колдин Е. Быстрые реакции в растворе. — М.: 'Ìèð, 1966. — С. 39-56.
3. Джонсон К. Численные методы в химии: Пер. с англ. — М.: Мир, 1983. — 504 с.
4. Ларичев О. Н. Горвиц Г. Г. Методы поиска локального экстремума овражных функций. — М.: Наука, 1989. — 96 с.
5. Шмид Р., Сапунов В.Н. Неформальная кинетика: Пер. с англ. — М.: Мир, 1985. — 264 с.