מודל כימי קינטי

בכימיה חישובית, מודל כימי קינטי הוא כלי לתיאור שינוים בזמן במערכות כימיות ריאקטיביות על בסיס הידע הכימי והפיזיקלי שנתון עבור המערכת. מודלים כימים קינטיים נמצאים בשימוש נרחב, החל מפירוק תרמי (פירוליזה) של חומרי גלם ודלקים, תופעות חמצון, ועד פירוק של מרכיבים תרופתיים. מודלים מסוג זה מאפשרים את החישוב של תצפיות חשובות, כגון התפלגות זמנית ומרחבית של ריכוזי צורנים כימים, זמן השהייה להצתה (באנגלית: ignition delay time), קצב שחרור חום, ועוד.

 רקע 
ניתן להבחין בין שני סוגים של מודלים קינטיים כימיים: מודלים קטנים ומודלים גדולים. המודל נחשב כ"גדול" אם מספר הפרמטרים שלו (כלומר, מספר הצורונים והריאקציות) גדול יותר ממספר הנקודות הניסוייות שהתקבלו. בפועל, יש מודלים רבים שמכילים יותר מאות ואף יותר צורנים ולמעלה מאלפים רבים של תגובות כימיות. השלב הראשון בבניית מודל קינטי הוא בניית מנגנון תגובה. מנגנוני תגובה מיוצגים לרוב כרשימה של תגובות כימיות, שלכל אחת מהן יש את קבועי הקצב שלה, שנקבעים לדוגמה על ידי משוואת אריניוס, ומשמשים לחישוב מקדמי קצב התגובה קדימה. אחד הפורמטים הנפוצים לכתיבת מנגנוני התגובה הוא Chemkin .

 יצירת מודל כימי קינטי 
בעבר, מנגנוני התגובה נבנו באופן ידני על ידי מומחים עם ידע כימי רלוונטי ונאספו למאגרי מידע. על אף שמקובל לבנות מנגנוני תגובה באופן ידני, היום קיימות חבילות תוכנה לביצוע אוטומציה של תהליך יצור מנגנון התגובה, במיוחד במקרים של כימיה מורכבת עם אלפי ריאקציות. דבר זה הופך את תהליך בניית המודל ליעיל יותר ומפחית את הסבירות לטעות אנוש.

ישנן שתי גישות עיקריות לבניית המודל הקינטי הכימי: על בסיס תבנית ועל בסיס קצב. הראשון מניח את הידע הכימי הקיים של מסלול התגובה ומחייב תבנית מוגדרת על ידי המשתמש; כל התגובה התואמת לתבנית זו נכללת במנגנון התגובה. לעומת זאת, בקצב על בסיס התגובה מתווספות למנגנון על ידי יצירת רשימה באופן איטרטיבי של כל התגובות האפשריות והתוצרים שלהן המתרחשים בין הצורנים הנכללים במודל. צורני הקצה עם שיעור היווצרות הגדול ביותר מעל סובלנות מסוימת המוגדרת על ידי המשתמש נכללים במודל יחד עם התגובות המתאימות שלהם. תהליך זה חוזר על עצמו עד התקיימותו של אחד מקריטריוני הסיום.

אחד האלגוריתמים הנפוצים ליצירת מנגנוני תגובה הוא אלגורתם "ליבה-קצה" (באנגלית: core-edge). לפי האלגוריתם, השלב הראשוני ביצירת מנגנוני התגובה הוא יצרת תגובה כימית חדשה. לאחר מכן נדרש לבדוק את הדברים הבאים: (1) מספר מגיבים, למשל מגיב אחד או זוג של מגיבים (2) מהו מתכון התגובה (למשל, לנתק את הקשר A-B וליצור קשר B-C) (3) תבנית עבור סוג התגובה. לאחר זיהוי תבנית מתאימה, קשרים כימים נבנים ונשברים לפי מתכון התגובה. התוצאה היא מולקולת חדשות ששונות מהמגיבים. למולקולות אלו קורים תוצרים. לאחר מכן, נבדק אם המוצרים קיימים במסד הנתונים. מולקולות שאינן קיימות במסד הנתונים נחשבות כחדשות.

באופן כללי, הצורנים נוצרים במהלך בניית המודל והחשובים שבהם נכללים בתוכו. המודל מפריד בין שני סוגי צורנים: (1) "צורני ליבה", כלומר אלה שכבר קיימים במנגנון התגובה. (2) ו"צורני קצה" – אלה שנוצרים מתגובות של צורני הליבה. "כל האחרים", הם צורנים שלא ניתן ליצר אותם דרך צעד יחיד מצורני הליבה.

התוכנה מוסיפה את הצורנים לפי קריטריוני הבחירה שנקבעים על ידי המשתמש. אם קריטריוני הבחירה לא קפדנים מספיק, התוכנה תוסיף מספר גדול של תגובות וצורנים למנגנון התגובה. אבל אם הקריטריונים קפדנים מדי, התוכנה לא תוסיף מספיק צורנים חשובים למנגנוני התגובה. קריטריון הבחירה להוספת צורן חדש או תגובות למנגנון משפיע על הביצועים של האלגוריתמים שמייצרים את המנגנון. במהלך בניית מודלים קינטיים חשוב לדעת מתי הושלם מנגנון התגובה. למטרה זו קיימים קריטריוני סיום מרובים, כמו זמן סיום, או סיום שמבוסס על המרת מגיבים ראשוניים. בדרך כלל, צריך לקבוע לפחות קריטריון סיום אחד (או כמה שתתאימים למשימה).

 יישום 
במהלך ארבעת העשורים האחרונים פותחו חבילות תוכנה רבות כדי ליצר מודלים קינטיים. מהחבילות שהפכו לסטנדרט בתעשייה, יש חבילות קוד פתוח כמו EXGAS ,package ו-RMG שאפשר לשלב אותן עם חבילות כמו Cantera בשביל הדמיית המודל ובדיקת יכולות הניבוי שלו.

 הערות שוליים 

קטגוריה:קינטיקה כימית