長岡研究室(名古屋大学大学院情報科学研究科物質情報講座)

講義資料




【祝】M.Karplus、M.Levitt、A.Warshel、ノーベル化学賞受賞!
2013年のノーベル化学賞を、ハーバード大名誉教授M・カープラス氏、米スタンフォード大教授M・レビット氏、米南カリフォルニア大特別教授A・ウォーシェル氏の3人が受賞しました。お目出とうございます! 長岡が研究で使っているコンピュータの手法も彼らのものととても近いのです。また説明します!

 この世の全ての“もの”は、分子から成り立っています。また日常的な“物質の変化”は、分子の化学反応によって起こり、日常的な“物質の運動”も、分子集団の多様な動きによって生じます。極言すれば、この世の全ての“こと”も、分子から成り立ったっている“もの”が引き起こす“こと”なのです。
 この「化学基礎U」では、こんな観点から、この世の中を見直す基礎として、この「化学基礎U」では、化学の基礎的な理屈や考え方を織り交ぜながら、@“化学結合”のできる仕組みと、A“エントロピー”という新しい考え方の大きく2つを中心に、“この世の中”の物質的仕組みについて考えます。

プロローグ ”はじめに”の前に

“大学化学”は理論的!? 「化学」は、物質の性質や変化を取り扱う学問です。その内容には、性質の説明や変化の法則を理解するための「基礎的側面」と、性質の分類と変化の表現を展開する「応用的側面」とがあります。本講義では、特に基礎的側面を取り扱います。最近の「高校化学」の参考書においても、「化学」全体を「理論」、「有機」、「無機」という3つの専門分野に分けて分類しているものがありますが、「大学化学」の特徴として、「高校化学」と比べると、かなり理論的であることが挙げられます。つまり、「高校化学」、中でも有機と無機分野では、暗記の側面が強かったと思いますが、「大学化学」では、より理屈や考え方に重点を置いて説明しようとします。
化学結合は何故できる? 例えば、「高校化学」では、K殻の電子は2個でL殻の電子は8個と、2×(nの2乗)と単に暗記したのではないでしょうか?「大学化学」では、その理屈である“量子化学”を学びます。「炭素の手は4つある」と覚えましたが、その理屈は“原子軌道”を学習して学びます。さらにそれを基礎に“化学結合”を学びます。
0℃の氷と0℃の水は何が違う? また、今日の「高校化学」では、化学平衡について学習する際に、「平衡が成立している条件(濃度、温度、圧力など)を変化させると、その条件変化による影響を緩和する方向に平衡が移動する」という平衡移動の原理(ルシャトリエの原理)を習います。ところが、(理想)気体が膨張したり、0℃の氷が水(0℃)に融けたりする現象は、どうして起こるのでしょうか? ひょっとしたら、これらのことに疑問をもって、担当の先生に質問したり、自分で調べたりした諸君もいるかも知れません。確かに一部の高校の参考書には、これは“乱雑さ”が増すからであると説明されています。それでは“乱雑さ”とは一体何なのでしょうか? この“乱雑さ”こそが“エントロピー”と密接に関係した考え方なのです。(エントロピーはクラウジウスによって導入された大切な概念です)

ChartNewChem  本講義では、高校理科(とくに化学と物理)で使用されている用語はできるだけそのまま使用し、仕方なく改める場合と新しく使用する場合には、その用語が初めて出てきた際に分かるように“緑色文字”にしました。章立てや単元名等は、数研出版の化学のチャート式(R)新シリーズ「新化学」を基本に,部分的に同社の「改訂版高等学校化学T」「同U」を参考にして構成しました。これらは“黒色文字”で表しています。
 大学化学を理解するために必要な高校物理や高校数学の学習項目は、適宜、最適な箇所で復習・補習します。それらの場所は、目次中[ ]付の“橙色文字”で記してあります。その際の単元名や内容などは、数研出版チャート式(R)シリーズ「新物理」や、同じく数研出版の高校教科書「改訂版数学U」「改訂版数学V」を参考にしました。新たに“大学化学”的に追加・改訂された単元名等は“青色文字”で記しました。
 また、もし、自分はまだまだ「高校化学」を復習し直した方が良いんじゃないだろうかと思う人は、以下の目次で、“灰色文字”で書かれた(高校化学を復習したい人は==>)箇所に張り付いているpdfファイルを印刷して勉強してください。高校化学の基本(ミニマム)を自習できると思います。(☞ 公務員試験対策にもなると思うよ!)

第0章 はじめに 1,347 kB)(=第1回=)

第1編 物質の構成粒子とその結合[→高校化学T]
<(高校化学を復習したい人は==>)「物質の構造」 472kB )>

第1章 物質の構成 519kB)(=第2回=)
§1−1 物質とその成分
§§ 物質探求の歴史
§§ 物質の表わし方と元素記号
§§ 単体と化合物・混合物
§§ 混合物の分離
§1−2 物質に関する基礎法則
§§ 原子はどのようにして考えられてきたのか
§§ 分子と分子説
§1−3 原子とイオン
§§ 原子の構造
§§ 質量数、同位体
§§ 電子配置
§§ イオン
§§ 元素の周期律
§1−4 古典化学の限界
§§ 古典的な化学結合論:八隅説とイオン結合論
§§ 古典的な化学結合論の限界
§§ 閑話休題

第2章 粒子の結合( Part1 792 kB)(=第3回=)
§2−1 イオン結合
§§ イオン結合とイオンからなる物質
§§ イオン結晶の構造
§2−2 共有結合
§§ 共有結合と分子
  a. 分子のなりたち  b. 分子式  c. 電子式  d. 共有結合をつくる原子  e. 分子を構成する原子の電子配置
  f. 構造式  g. 単結合・二重結合・三重結合  h. 分子の形  i. 化学結合と電気陰性度との関係
  j. 分子の球棒モデルとバネモデル  k. 分子スペクトル

★この間で[補習1]をやります!(「第1編 力学 第1章 仕事と力学的エネルギー」、「第3編 第2章 波の性質」、それと「第5編 原子と原子核 第1章 粒子性・波動性と原子の構造」の§1−5まで)ここまでやって第3回!★
★この後、=第4回=として、「第1章 粒子性・波動性と原子の構造」の§1−6から§1−8までやって、次に=第5回=として、この下の「§§ 共有結合と分子軌道」へ戻ります。(「§§ 結合エネルギー」は、「第3編 化学反応」でやりますが、)ここまでやって第5回!★

§§ 共有結合と分子軌道(=第5回=)
  a. 分子軌道―分子の中の電子波動関数―  b. 混成軌道  c. sp3混成軌道と正四面体構造
  d. sp2混成軌道と平面三角型―塩化ホウ素、エチレンとベンゼン―  e. sp混成軌道と直線型
 ●電子の軌道と分子の形
 (cf. チャート式「新化学」StudyColumn(p.50)、「改訂版高等学校化学II」発展“電子軌道と分子の形”(p.15))
§§ 結合エネルギー ==> 「第3編 化学反応 第1章 いろいろなエネルギーから熱化学方程式へ §1−5 熱の出入りとヘスの法則 §§結合エネルギー」 へ

§§ 配位結合(Part2 837 kB)(=第6回=)
  a. 配位結合   b. 錯イオンと配位子場  c. 配位結合とタンパク質
§§ 分子結晶
§§ 共有結合の結晶
§2−3 金属結合
§§ 金属結合
§§ 金属の結晶格子の種類
§2−4 分子間に働く力
§§ 分子間力
§§ 極性
§§ 水素結合
§2−5 結晶の種類と性質
§§ 結晶の種類と性質(/=第6回=)

[補習1]
第1編 力学 (ここも=第3回=)[→高校物理T]
第3章 仕事と力学的エネルギー
( Part1 522 kB)
§3−1 仕事
§3−2 運動エネルギー
§3−3 位置エネルギー
§3−4 力学的エネルギーの保存則
第3編 波 (ここも=第3回=)[→高校物理T]
第2章 波の性質
§2−1 波のしくみと種類
§§ 波の基本式
§§ 光、電磁波、電波、同じもの
§§ 波の方程式(波が満たす方程式) −波動方程式−
§2−2 重ね合わせの原理と波の干渉
§2−3 波の反射・屈折・回折
§2−4 ドップラー効果
第5編 原子と原子核 [→高校物理U]
第1章 粒子性・波動性と原子の構造 (§1−5までは=第3回=に含まれる。§1−6から§1−8までが、=第4回=)
§1−1 電子
§1−2 光の粒子性
§1−3 X線とその粒子性
§1−4 粒子の波動性
§1−5 原子の構造とエネルギー準位  (ここまで=第3回=)
§1−6 シュレディンガー方程式 ―粒子性と波動性を取り入れた方程式 (=第4回=) ( Part2 1,808 kB)
§§ 量子論的な波と波動関数の確率解釈
§1−7 水素原子中の電子の有り様
§§ 水素原子の電子波動関数[発展]
●直交座標から極座標へ[→高校数学「数V+C」]
§§ 極座標と曲方程式 円から球へ
§§ 運動エネルギー演算子の極座標表示
§1−8 電子スピン
§§ 正常ゼーマン効果
§§ シュテルン−ゲルラッハの実験
§1−9 固体の性質と電子

[/補習1]

第3章 物質量と化学反応式 ここはない )
§3−1 相対質量と物質量
§§ 原子の相対質量
§§ 物質量
§§ 溶液の濃度
§3−2 化学反応と物質量
§§ 化学反応式
§§ 化学反応式のつくり方
§§ 化学反応式の表す意味

第2編 物質の状態[→高校化学U]
<(高校化学を復習したい人は==>)「物質の状態」 754kB )>(=第7回=)

第1章 物質の三態 622 kB)
§1−1 粒子の熱運動と三態の変化
§§ 拡散と粒子の熱運動
§§ 三態の変化
§§ 物質の融点・沸点と分子間力
§§ 拡散を引き起こす素過程としての粒子運動

第2章 気体 829 kB)(=第8回=)
§2−1 気体の体積
§§ ボイルの法則とシャルルの法則
§2−2 気体の法則 −気体の状態方程式と気体分子の運動−
§§ 気体の状態方程式
§§ 気体の圧力(気体の分子運動論)
§§ 分子の運動エネルギーと絶対温度
§§ 混合気体の圧力
§§ 実在気体と理想気体
§2−3 実在気体の****
§§ ***
§§ ***
§§ ***

[補習2]
第2編 熱力学 [→高校物理T&U]
第1章 熱と物質の状態
ここはない!) ==> 「第2編 第1章,第2章」へミックス
§1−1 熱と温度・仕事
§§ 分子の熱運動と物質の三態
§§ 温度
§§ 熱膨張
§§ 熱容量と比熱
§§ 熱量の保存
§§ 熱と仕事
§1−2 気体の法則と気体分子の運動
§§ ボイル・シャルルの法則
§§ 理想気体の状態方程式
§§ 気体の圧力(気体の分子運動論)
§§ 分子の運動エネルギーと絶対温度

第2章 熱力学の法則とエネルギー
ここはない!) ==> 「第3編 第1章」へミックス
§2−1 気体の内部エネルギーと比熱
§§ 気体の内部エネルギー
§§ 熱力学第一法則
§§ 気体のモル比熱
§§ 等温変化と断熱変化
§2−2 エネルギーの変換と保存
§§ エネルギーの変換と保存
§§ 熱現象における不可逆変化
§§ 熱機関の効率

[/補習2]

第3章 溶液 ここはない!)
§3−1 溶解のしくみと溶解度
§§ 固体や液体が水に溶けるしくみ
§§ 水への溶解と電離
§§ 溶液の濃度
§§ 固体の溶解度
§§ 気体の溶解度
§3−2 希薄(理想)溶液の性質
§§ 蒸気圧降下と沸点上昇
§§ 希薄溶液の凝固点
§§ 浸透圧
§3−3 実在(非理想)溶液の性質
§§ 活量と活量係数
§§ ********
§§ ****
§3−4 コロイド溶液
§§ コロイド
§§ コロイド溶液の性質
§§ 親水コロイドと疎水コロイド

第3編 化学反応[→高校化学T]
<(高校化学を復習したい人は==>)「化学反応速度と化学平衡」 719kB )>

第1章 いろいろなエネルギーから熱化学方程式へ ・・・化学熱力学 351 kB)(=第9回=)
§1−1 状態の変化
§1−2 熱と温度
§1−3 熱と仕事
§§ 仕事による熱の発生
§§ 内部エネルギー
§§ 熱力学第一法則と気体の状態変化

[補習3]
●増分から微分へ[→高校数学「数U+V」]
§§ 微分係数と導関数 … 復習
§§ 二変数関数f(x,y)を“微分する”ということ … f(x、y)の微分可能性
●微分係数から偏微分係数へ[→高校数学「数U+V」]
§§ 偏微分係数と全微分
[/補習3]

§1−4 化学反応と熱化学方程式
§§ 化学反応
§§ 反応熱の種類
§1−5 熱の出入りとヘスの法則
§§ ヘスの法則
  a. ヘスの法則  b. ヘスの法則と道の反応熱の計算
§§ 結合エネルギー(高校からは少し拡張されている!)
  a. 分子の結合ネルギー曲線
  b. 結合エネルギー  c. 結合エネルギーから反応熱の計算
§1−6 自由エネルギー ・・・広い意味でのエネルギーの考え方 594 kB)(=第10回=)
§§ 熱現象における不可逆変化
§§ 熱力学第二法則
とエントロピー
§§ 自由エネルギー
§§ 化学ポテンシャル -化学組成が変化するときに重要!-
§§ 二領域間の平衡条件

第2章 反応の速さと反応のしくみ 552 kB)(=第11回=)
§2−1 化学反応の速さ
§§ 化学反応の速さ
§§ 化学反応速度式と反応速度定数
§§ 反応の速さを変える条件
§2−2 化学反応の進み方
§§ 活性化状態
§§ 活性化エネルギーと触媒
§2−3 *****
§§ *****
§§ *****
§§ *****

第3章 化学平衡 667 kB)(ここも=第11回=)
§3−1 化学平衡とその移動
§§ 化学平衡
§§ 平衡状態の変化 ・・・ 平衡の移動
§§ 化学反応の進み具合と自由エネルギー
(未)§3−2 化学平衡と自由エネルギー
(未)§§ 平衡定数とギブスの自由エネルギー
(未)§§ 平衡定数と化学ポテンシャル
§3−3 散逸構造  ・・・ ”化学平衡”の先にあるもの(=第12回=)
§§ 化学振動とリズム
§§ 自己触媒反応
§§ 反応拡散系とパターン形成 ‐濃度変化に対する物質拡散の考慮‐

<(高校化学を復習したい人は==>)「酸・塩基と酸化・還元」 745kB )>
第4章 酸と塩基の反応 374 kB)
§4−1 酸・塩基・電離定数
§§ 酸・塩基
§4−2 水の電離と水溶液のpH
§§ 水のイオン積
§§ イオンの活量
§§ イオン強度
§4−3 酸・塩基の中和反応
§§ 酸・塩基の中和の量的関係
§§ 中和滴定
§4−4 塩
§§ 塩
§§ 塩の水溶液の性質
§§ 緩衝液
§§ 弱酸・弱塩基の遊離
§§ 難溶性塩の電離平衡

第5章 酸化還元反応と電池・電気分解 ここはない!)
§5−1 酸化・還元と電子の授受
§§ 酸化・還元の定義
§§ 酸化・還元と酸化数
§5−2 酸化剤と還元剤
§§ 酸化剤・還元剤とそのはたらき
§5−3 イオン化傾向
§§ 金属のイオン化傾向
§§ イオン化傾向と金属の化学的性質
§5−4 電池
§§ 電池の原理
§§ ダニエル電池と乾電池
§§ 鉛蓄電池
§§ 燃料電池
§5−5 電気分解
§§ 電気分解のしくみ
§§ 電気分解と電気量

第6章 おわりに

<付録>
<(高校化学をもっと復習したい人は==>)「無機物質」 467kB )>
<(高校化学をもっと復習したい人は==>)「有機物質」 701kB )>
<(高校化学をもっと復習したい人は==>)「実践問題」 969kB )>

<参考書>
【大学物理化学の代表的標準的教科書(高校化学では“理論化学”って言っている分野)】
 ☞ ただ、“代表的”とか“標準的”ということが、必ずしも“分かり易い”とか“良い”ということを意味するとは限らない。
○W.J.ムーア著、細谷治夫、湯田坂雅子訳 『基礎物理化学(上)・(下)』(東京化学同人)
 ☞ でも、この本をマスターできれば素晴らしい! 長岡はこの“ムーア”が好きである。
○P.W.アトキンス著、千原秀昭、中村亘男訳 『物理化学(上)・(下)』(東京化学同人)
○D.A.マッカーリ・J.D.サイモン著、千原秀昭、斎藤一弥、江口太郎訳 『物理化学―分子論的アプローチ』(上・下)(東京化学同人)
【高校化学】
○野村祐次郎他著 『改訂版 高等学校 化学T・U』(数研出版)(高校の教科書)
◎野村祐次郎他著 『新課程 チャート式シリーズ 新化学』(数研出版)
○野村祐次郎他著 『新課程 チャート式シリーズ 新化学T・U』(数研出版)
○数研出版編 『改訂版 フォトサイエンス 化学図録』(数研出版)
【高校物理】
○國友正和他著 『改訂版 高等学校 物理T・U』(数研出版)(高校の教科書)
○都築嘉弘著 『新課程 チャート式シリーズ 新物理』(数研出版)
○都築嘉弘著 『新課程 チャート式シリーズ 新物理T・U』(数研出版)
【数学】
○川中宣明他著 『改訂版 数学U・V』(数研出版)(高校の教科書)
○笠原晧司著『対話・微分積分学―数学解析へのいざない』(現代数学社; 復刊版(2006/02))
○大岩正芳著『化学者のための数学十講』(化学同人)
【その他お勧め】
○藤谷正一、木野邑恭三、石原武司著 『絵とき化学結合の見方・考え方』(オーム社)
◎平山令明著『実線量子化学入門』(講談社)
 ☞ 化学結合の入門書。とても分かりやすい。PC用のプログラム付き。 
○長岡正隆編著『すぐできる分子シミュレーションビギナーズマニュアル』(講談社)
 ☞ 私の研究室の皆んなで書いた本。分子シミュレーションに興味をもつ諸君は訪ねて来てほしい。PC用のプログラム付き。 
◎A.スコット著、野中浩一訳 『生命のメカニズムがわかる本』(HBJ出版局) 
 ☞ おそらく絶版。でも図書館で借りるとイイかも。目から鱗が落ちる! 
○神部武志、佐々木直幸、内藤正美、渕上信子著 『コンピュータ物理の世界』(講談社)
 ☞ コンピュータシミュレーションとは何かが分かる! 
○竹内淳著『高校数学でわかるボルツマンの原理』(講談社)
 ☞ エントロピーのことがもう少しよく分かる!?