XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

Введение

Химическая кинетика, будучи фундаментальной дисциплиной, сталкивается с практической проблемой трудоёмкого и подверженного ошибкам ручного анализа экспериментальных данных. Существующий программный ландшафт предлагает либо избыточно сложные и дорогие профессиональные решения, либо примитивные онлайн-калькуляторы, что оставляет нишу для специализированного, интуитивного инструмента.

Цель исследования

Разработать программное обеспечение на Python, обеспечивающее автоматизированный анализ кинетических данных для реакций нулевого, первого и второго порядков на основе обработки экспериментальных зависимостей концентрации от времени.

Задачи исследования:

1. Проанализировать современные программные решения и методы обработки данных в химической кинетике.

2. Определить требования к функциональности и интерфейсу ПО с учётом потребностей студентов и исследователей.

3. Разработать архитектуру приложения с модульной структурой (ввод данных, расчёт, визуализация, вывод результатов).

4. Реализовать алгоритмы линейной регрессии для различных порядков реакции и оценки качества аппроксимации.

5. Обеспечить интерактивность работы: динамический ввод данных, мгновенный пересчёт и визуализацию при изменении параметров.

6. Протестировать ПО на контрольных наборах данных и оценить корректность расчётов.

Основная часть

Современные инструменты для анализа кинетики можно разделить на несколько категорий:

1. Универсальные научные пакеты (MATLAB, Mathematica): обладают максимальной мощностью, но требуют лицензий и высокой квалификации пользователя.

2. Специализированное ПО для моделирования (COPASI, DynaFit): незаменимы для сложных механизмов, но избыточны для элементарных задач.

3. Программы для анализа данных (OriginPro, GraphPad Prism): популярны в науке, но являются коммерческими и имеют перегруженный интерфейс.

4. Бесплатные и открытые решения (библиотеки Python, R): требуют навыков программирования для создания рабочего процесса.

5. Онлайн-калькуляторы: просты, но функционально ограничены.

Наблюдается дефицит бесплатных десктопных приложений с дружелюбным интерфейсом, «заточенных» под базовые, но востребованные задачи учебной и исследовательской кинетики.

Для разработки ПО был выбран язык Python благодаря его выразительности, кроссплатформенности и мощной экосистеме для научных расчётов. Графический интерфейс реализован с использованием стандартной библиотеки Tkinter, что гарантирует работу приложения без установки дополнительных компонентов. Математическое ядро построено на библиотеке NumPy, обеспечивающей эффективные векторизованные вычисления и точную реализацию метода наименьших квадратов.

Рисунок 1. Библиотеки, используемые при программировании

Архитектура приложения включает:

1. Модуль динамического ввода данных: таблица с возможностью добавления, удаления и редактирования строк.

2. Панель параметров: выбор порядка реакции (0, 1, 2) и ввод начальной концентрации.

3. Вычислительный модуль: автоматическое преобразование данных в линейную форму, линейная регрессия, обратный пересчёт константы скорости (k), времени полупревращения (t₁/₂) и коэффициента детерминации (R²).

4. Модуль визуализации: построение графика в координатах «Концентрация – Время» с наложением экспериментальных точек и теоретической кривой, рассчитанной по найденным параметрам.

5. Модуль вывода результатов: форматированный текстовый отчёт с основными кинетическими параметрами и интерпретацией качества аппроксимации.

Рисунок 2. Начальная страница разработанного приложения

Алгоритм работы приложения реализует классическую методологию анализа:

• Сбор и валидация экспериментальных данных.

• Линейное преобразование концентрации в соответствии с выбранным порядком реакции.

• Определение параметров линейной зависимости методом наименьших квадратов.

• Расчёт k, t₁/₂, R² и построение интегральной кривой.

• Визуальная и числовая презентация результатов для принятия решения о соответствии модели.

Тестирование на контрольных данных, соответствующих точному решению кинетического уравнения первого порядка, подтвердило высокую точность расчётов: полученная константа скорости k = 0.0500 с⁻¹ совпала с теоретическим значением, коэффициент детерминации R² достиг 0.999999, а время полупревращения t₁/₂ составило 13.85 с, что соответствует аналитическому решению (ln2/k).

Рисунок 3. Результат работы программы

Графический интерфейс приложения организован интуитивно: левая панель содержит таблицу ввода данных и настройки параметров, центральная область — поле для построения графика, правая панель — текстовый отчёт с результатами расчётов. Такое разделение обеспечивает логичный рабочий процесс от ввода данных до получения итогового заключения.

Выводы

Разработанное программное обеспечение «Анализатор кинетики химических реакций» представляет собой законченный инструмент, который эффективно закрывает нишу между простыми калькуляторами и сложными профессиональными пакетами. Приложение автоматизирует рутинные вычисления, минимизирует ошибки и способствует лучшему пониманию взаимосвязи между экспериментальными данными и кинетическими моделями.

Список литературы

1. Коваленко, Т. А. Обработка экспериментальных данных : учебное пособие / Т. А. Коваленко. - Москва : ИНТУИТ, 2016. - 132 с.

2. Хайбуллин, А. А. Кинетика и катализ в химической технологии : учебное пособие / А. А. Хайбуллин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 204 с.

3. Титов, А. Н. Python. Обработка данных : учебно-методическое пособие / А. Н. Титов, Р. Ф. Тазиева ; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. - Казань : Изд-во КНИТУ, 2022. - 104 с.