化学概論 クラス２ 第1回 自己紹介 • 名前：安井正憲 • 所属：先進理工学科 • 専門：物理化学、X線結晶構造解析を用いた 各種有機物質の構造研究 • 居室：東6号館936室 • メール:[email protected] 講義の進め方 • 主にプロジェクター、板書も併用 • プロジェクター：図、グラフなどの提示、ミニクイ ズの実施（出席確認を兼ねるのでレスポンス カード必携）。 • ほぼ１回おきに宿題（レポート）を出題 • 毎回の出席は必須 • 宿題の提出は必須（提出日の講義開始までに 教卓に出す） ResponseCardの使い方 数字キーで答えを選択。 ランプが緑に光れば、 投票が無事受信。 注意: 押さないで下さ い。(投票する時 は 使用しません。) 集計中何度でも 押しなおせます。 質問テキストを入力してください... 1. 2. 3. 4. 5. 6. キーパッドのGOボタンを押します。 緑と赤色に点滅する間、２桁のチャンネル番号を素早く入力。 ライトが黄色に変わります。 色が変われば、素早くGOを押します。 変更が完了すれば緑色に2,3秒光ります。 設定に失敗するとライトがわずかに点滅するのみ 注意: GO→2桁のチャンネル番号→GO キーパッドが正しく動作していない場合、ま ず設定されたチャンネル番号に問題がないか 確認してください。 チャネル番号４１を使います GO→４１→GO １を押してください 0 / 80 アンケート • 高校での理科の学習と入試での受験につい て伺います 高等学校で化学を学びましたか 92% 1. 化学 I を履修した 2. 化学 I，II を履修した 3. 化学は履修していない 7% 修 し て い な い 履 化 学 は I， 学 化 化 学 II を Iを 履 履 修 修 し た し た 2% 大学入試で化学を受験しましたか 1. センター試験のみ 2. センター試験と本 学の個別入試の両 方 3. どちらでも受験して いない 50% 38% 験 受 で も ら ど ち セ ン セ ン タ ー 試 験 タ ー 試 と 本 ... 験 の み し て い な い 12% 高等学校で物理学を学びましたか 97% 1. 物理学 I を履修した 2. 物理学 I，II を履修した 3. 物理学は履修していな い 3% し て い な い 修 を 履 II 学 は I， 物 理 学 物 理 物 理 学 Iを 履 履 修 修 し た し た 0% 大学入試で物理学を受験しましたか 1. センター試験のみ 2. センター試験と本 学の個別入試の両 方 3. どちらでも受験して いない 70% 15% 験 受 で も ら ど ち セ ン セ ン タ ー 試 験 タ ー 試 と 本 ... 験 の み し て い な い 15% 腕試しクイズ • 今の知識範囲を教えてください • この科目の成績評価には加味しません 物質が原子･分子からなることを知っ ている(聞いたことがある) 1. はい 2. いいえ 92% い い え は い 8% 原子の構成要素は次のうちどれか 陽子と電子 中性子と電子 原子核と電子 しらない 82% 8% な い し ら 子 原 子 核 と 電 子 性 中 7% 3% 子 と 電 子 と 電 子 陽 1. 2. 3. 4. 原子の構造を模式的に描くと次のうち どれが真実に近いか ① ② ③ しらない １ 電子 - - 正に帯電 した球体 ２ ３ 78% ４ わからない 19% し ら な い 2% ③ ② 2% ① 1. 2. 3. 4. 周期表での元素の並び順は 原子の重さ（原子量）の順 原子中の中性子の個数の順 原子中の陽子の個数の順 わからない 12% 78% 8% 4 3 2 2% 1 1. 2. 3. 4. 理想気体とは？ 70% 28% 4 0% 4 2 2% 1 1. PV=nRTで状態を表せ る気体 2. 分子の体積が無視でき ない気体 3. 分子間の相互作用が ある気体 4. 上記はいずれも間違い 気体の内部エネルギーについて 78% 17% り減 発 熱 に よ 2% 3% 少 熱 す に る よ 断 り増 熱 圧 加 縮 す に る 状 よ 態 り増 変 化 加 に す 知 よ る ら り な 保 い 存 （聞 され い る た こ とが な い ） 0% 吸 1. 吸熱により減少する 2. 発熱により増加する 3. 断熱圧縮により増 加する 4. 状態変化により保 存される 5. 知らない（聞いたこ とがない） 次のうち可逆変化は？ 1. 高温物体から低温物体へ の熱の移動 2. 真空中への気体の拡散 3. おもりの落下で羽根を回 して、水の温度を上げる 4. 上記はどれも不可逆変化 71% 13% 4 3 5% 2 1 11% 序論 自然科学の中の化学 • 化学は物質に関する学問ー物質を対象とす るあらゆる分野に関係 化学 反応 物理学 構造 生物学 自然科学の領域 地学 共通領域（学際領域） 性質 （物性） 化学（物質）の三要素 化学での研究方法 化学的方法：ビーカーや試験管の中から連想 （古くは錬金術の時代から） 物理学的方法を取り入れた（物理化学） 化学の分野 無機化学 有機化学 対象や研究方法 の増加･発展 物理化学、分析化学、 電気化学、地球化学、 高分子化学、生化学、 etcに細分化 自然界の階層と化学 マ ク ロ （ 巨 視 的 物 質 ） ミ ク ロ （ 微 視 的 粒 子 ） 自然界の階層構造 宇宙 銀河系 太陽系 地球 生物 身の回りの物質 分子 原子 電子･原子核（陽子･中性子） 素粒子 化学はこの階層構造に ついて、物質の構造、性 質、反応を原子･分子の 立場から思考する この科目で学ぶこと • 物質を構成する原子の構造，分子を構成す る化学結合の原理を理解する。 – 量子論の基礎，原子の構造，元素の性質の周期 性、化学結合の原理と分子の構造 • 熱・仕事・エネルギーの関係である化学熱力 学の基礎を理解する。 – 熱・仕事・エネルギーの関係，化学反応とエンタ ルピー，熱の移動と仕事の関係，エントロピーの 概念など化学熱力学の基礎 →主として物理化学に含まれる分野 原子の構造 • 原子の構成要素 – 電子 • 陰極線として発見（1897年トムソン） • 負に帯電した粒子 • 電荷 -1.602×10-19C、質量 9.109×10-31kg 陰極線管（クルックス管） 内部を高真空にする 陰極線 （電子の流れ） 数千V 原子の構造 • 原子の構成要素 – 電子 • 陰極線として発見（1897年トムソン） • 負に帯電した粒子 • 電荷 -1.602×10-19C、質量 9.109×10-31kg – 電気的に中性であるためには、正の電荷をもつ要 素が必要（1900年代初頭では未発見） 原子の構造 原子模型 電子 - - - 正に帯電 した球体 Thomson模型（1904） ブドウパンモデル 長岡半太郎（1904） 土星型モデル ラザフォード散乱 微小な正電荷の 固まり（原子核） ごく少数の粒子（数万 個に1個）は90°以上 進路が変わる α線 ラジウム （正電荷を持 つα線を放出） 殆どは真っ直 ぐ通り抜ける 金箔 まれにわずかに 進路が変わる → α粒子を曲げる原因は非常に小さな（10-14m）原子核（正電荷） → 原子は小さく重い原子核と、密度の小さな領域（電子の領域） とから構成 ⇒原子核の発見 原子の構造 • 原子の構成要素 – 電子 • 陰極線として発見（1897年J.J.Thomson） • 負に帯電した粒子 • 電荷 -1.602×10-19C、質量 9.109×10-31kg – 原子核（1909年ラザフォード） – 陽子（1918年ラザフォード） • 正に帯電した粒子 電子よりはるかに重い（約1840倍） – 中性子（1930年頃に発見） • 電気的に中性の粒子 陽子とほぼ同じ質量 原子の構造 原子模型 電子 - - - 正に帯電 した球体 Thomson模型（1904） ブドウパンモデル 長岡半太郎（1904） 土星型モデル しかし、原子の安定性、原子に特有のスペクトル（水素原子スペク トル等）などの原子や電子の性質は20世紀初頭までの物理学 （古典物理学）では全く説明できない →新しい概念の物理学が必要 →量子論（量子力学、量子化学） 量子論の起こり １）光の二重性：黒体放射、光電効果を説明するのに光の量子化 （光を粒子としても取扱う）の概念が生まれた 光：電磁波、波の性質をもつ→光の回折（虹、屈折etc） 光電効果 金属表面に光が当たると電子が放出される ①光の振動数に限界値が存在 ②放出される電子の運動エネルギーは光の 振動数に比例するが、光の強度（波の振幅） には無関係 電子の運動エネルギーEpは、電子が金属から出るためのエネ ルギー（仕事関数）Wを用いて Ep h W h h 0 光はエネルギー（運動量）をもつ粒子として の性質を持つ（光子、photon） 光子1個のエネルギー E=hν h：プランク定数 h=6.626×10-34Js ν：光の振動数 s-1 光の回折･干渉 光の波動性 光の量子化 光の粒子性 光の二重性 （光子は質量0だが、p=hν/c＝h/λの運動量をもつ→太陽帆 イカロス） 2)電子の二重性（物質の二重性） ・電子は粒子（物質）として発見（電荷e、質量me） ・電子が波としての性質もある（1927年） 特定の方向のみ に強く散乱（回折） Niなどの金属 金属結晶中の原子の規則的な配列が回折格子として働いた 回折 波の干渉 電子線（高速の電子）は波の 性質を持つ ドブロイ波（物質波） • 光の粒子性の逆で、粒子である電子などが 波の性質（物質波）を持つ（1924年ドブロイ） • 電子線（のちに水素分子、陽子、中性子）で 回折現象が発見 ドブロイの関係式 運動量 p (=mv) で運動する粒子は l = h/mv =h/p の波長をもつ 参考 • この講義のシラバスは見ましたか。シラバスに毎回 の講義予定があります。次回の講義内容に相当す るテキストを簡単に予習してください。 • この講義で使ったスライドは http://struct.pc.uec.ac.jp/yasui/kagaku2012/ にあります。（シラバスからリンクあり） • ただし、スライドを印刷しただけでは勉強したことに はならないので注意すること。 • スライド、ノート、テキストを基に復習すること。 • 宿題は必ず自分で解いて提出すること。
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