2010年7月8日 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 1 一般教育演習 クイズで学ぶ化学と科学 2010年度第1学期・木曜日第5校時（1630-1800） 高等教育機能開発総合センターS7（E215から変更） 大谷文章（おおたにぶんしょう） 触媒化学研究センター・教授 北キャンパス創成科学研究棟03-311-2号室 内線9132/[email protected] 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 2 今後の予定 ▼ 木曜日5校時の本クラスはそのままの日程で行います（講義室は変更） ▼ 補講クラスを『A』と『B』の2つにわけ，おなじ内容の講義を行います ・補講クラスA： （週によって）金曜日5校時あるいは火曜日3校時 ・補講クラスB： 木曜日3校時 どちらでも都合のいい方に出席してください． ▼ 本クラス，補講クラスともに講義室は「S7」 補講 1 2 3 4 5 回数 クラスA クラスB 本クラス 6 6月29日（火）3校時7月1日（木）3校時 7月1日（木）5校時 8 7月2日（金）5校時 7月8日（木）3校時 7月8日（木）5校時 10 7月9日（金）5校時7月15日（木）3校時7月15日（木）5校時 12 7月16日（金）5校時7月22日（木）3校時7月22日（木）5校時 14 8月3日（火）3校時 8月5日（木）3校時 8月5日（木）5校時 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 回数 7 9 11 13 15 3 授業の目標・到達目標 ■ 各回数題出題されるクイズに答えることによって「化学と科学 とはなにか」を学ぶ．答えの内容は「何か書かれているかぎり」 評価しない．《毎回数題のクイズ/質問》 ■ 受講者は，「化学と科学を理解するのに役に立つクイズ」を作 成・発表して受講者どうしのディスカッションを行う． 《最後の 1～2回》 ■ 各講義の最後に提出する「感想と意見」は（ニックネームつき で）公開とし，次回に講評と討論を行う．受講者はニックネー ムを設定する．担当者に対する最低1つの質問をすること．次 回に質問と答えのそれぞれについて投票してランキング《毎 回》 ■ 科学的な視点と方法の基礎を身につける 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 4 Ｑ： 前回の質問/回答に投票してください ■ 配布した「感想/質問と回答」をみて いいと思った質問 いいと思った回答 をそれぞれニックネームで投票してください．集計結果は次回 に発表します． 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 5 燃料電池のしくみ 化学エネルギー/電気エネルギー変換 H2 + 1/2O2 = H2O 「新エネルギー便覧」（平成8年度版） 「新エネルギー便覧」（平成8年度版） 燃料電池002 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 6 ガソリンを改質して水素燃料電池につかう ■ ガソリン（CxHy）の改質により水素を製造し，それを燃料電池の 燃料として使ったら，全体の化学反応式はどう表されるか． ■ ガソリンエンジンにおける化学反応式はどう表されるか． CCxxHHyy ++ xO xO22== y/2H y/2H22 ++ xCO xCO22 y/2H y/2H22 ++ y/4O y/4O22 == y/2H y/2H22OO CCxxHHyy ++ (x (x ++ y/4)O y/4)O22 == y/2H y/2H22OO ++ xCO xCO22 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 7 題材 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 物質とはなにか/環境とはなにか/科学の視点 モル－どうやってアボガドロ数を計測するのか 物質の同定－科学的な方法とはなにか エベレスト登頂－科学的な方法とはなにか 電車の混雑－科学におけるオリジナリティ ダイエットチラシ－科学倫理 ヨーロッパの地図を描く－科学における論理性と実験ノート 血液型性格判断と星占い 電子レンジ－インターネット上の情報と科学 燃料電池－報道と科学論文，解説：科学表現とは何か 科学の三冠王－科学者はなにをめざすのか ダイオキシン－報道と科学 キラリティ－化学におけるかたちと対称性 光化学反応－環境と物質とエネルギー リサイクル－環境と物質とエネルギー 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 8 Ｑ： 野球における三冠王・四冠王・五冠王・六冠王 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 9 Ｑ： 野球における三冠王・四冠王・五冠王・六冠王 打者の三冠（さんかん）とは， 首位打者・最多本塁打・最多打点 三冠を同時に達成した打者を三冠王（さんかんおう・triple crown）とよぶ．英 語ではTriple Crownと言う．これら以外の打撃タイトルは， 最多盗塁・最多安打・最高出塁率 がある．三冠に最多盗塁をくわえて四冠（よんかん）とする場合もある． 投手の三冠として， 最優秀防御率・最多勝利・最多奪三振 とすることがある．さらに，これに 最高勝率・最多完封勝利 も合わせて五冠王（ごかんおう）とよぶ場合もある． 《ウィキペディア『三冠（野球）』を一部改変・追加》 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 10 Ｑ： 日本のプロ野球における打者の三冠王 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 11 Ｑ： 日本のプロ野球における打者の三冠王 １９３８秋 １９６５ １９７３ １９７４ １９８２ １９８４ １９８５ １９８６ ２００４ 中島治康（巨人） 野村克也（南海） 王貞治（巨人） 王貞治（巨人） 落合博満（ロッテ） ブーマー（阪急） バース（阪神）/落合博満（ロッテ） バース（阪神）/落合博満（ロッテ） 松中信彦（ダイエー） 四冠王はいない（渡米前年のイチローが惜しかった・イースタンリーグでは１９７ ７年に庄司智久（巨人） ）・アメリカメジャーリーグでは，1967年以来打者の三 冠王はでていない． 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 12 科学における三冠王 Ｑ 科学における三冠王とは 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 13 科学における三冠王 Ｑ 科学における三冠王とは 科学における記録などに名前が残る ・受賞：ノーベル賞 ・式や反応，法則名 ・単位名 ・学会・学術雑誌名 ・形容詞がある Ｑ 科学における三冠王・四冠王は誰? 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 14 科学における三冠王 Ｑ 科学における三冠王とは 科学における記録などに名前が残る ・受賞：ノーベル賞 ・式や反応，法則名 ・単位名 ・学会・学術雑誌名 ・形容詞がある Ｑ アインシュタイン（A. Einstein）： 3 キュリー夫人（M. Curie）： 3 ファラデー（M. Faraday）： 2/3 ニュートン： 2/3 科学における三冠王は誰? 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 15 科学における三冠王 Ｑ 科学における三冠王とは 科学における記録などに名前が残る ・受賞：ノーベル賞 １９３２年ノーベル化学賞 ・式や反応，法則名 ラングミュア式・ラングミュア＝ブロジェッ ト膜・ルイス＝ラングミュアの理論 langmuir = 1×10-6 torr s（露出） ・単位名 ・学会・学術雑誌名 Langmuir（アメリカ化学会） Langmuirian ・形容詞がある Ｑ Irvin Langmuir（1881-1957） 科学における三冠王・四冠王は誰? 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 16 第5回ソルベー会議（テーマ：放射理論と量子） 10 1 5 2 16 12 13 14 15 4 3 17 18 6 22 20 19 7 21 9 8 24 23 26 25 11 27 28 29 ソルベーとネルンスト（電気化学平衡に関するネルンストの式）が主催/ラングミュアはネ ルンストの弟子/ルイス－ラングミュアの四面体型原子模型 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 17 Bohr Born Heisenberg de Broglie Pauli Langevin Compton Schraedinger Einstein Lorentz Curie Dilac Bragg Pranck Langmuir Debye Knudsen 第5回ソルベー会議（テーマ：放射理論と量子） ソルベーとネルンスト（電気化学平衡に関するネルンストの式）が主催/ラングミュアはネ ルンストの弟子/ルイス－ラングミュアの八隅型原子模型（原子価モデル） 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 18 ルイス－ラングミュアの理論 ■ オクテット（八隅体）を考え，「隅」に電子を配置する ■ 結合は「隅」に電子をうめるように行われる ■ 単結合は「辺共有」・二重結合は「面共有」 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 19 ルイス－ラングミュアの理論と「点電子式」 ■ 水素は8つの隅をうめられない ■ 三重結合を表現できない ■ 電子を点であらわし，原子のまわりに8個配置＝点電子式 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 20 論文雑誌「Langmuir」 ■ アメリカ化学会発行 界面・表面・微粒子などが専門 物理化学 インパクトファクター： 引用頻度 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 21 ラングミュア－ブロジェット（Langmuir-Blodgett）膜 ■ 疎水性部と親水性部をもつ分子を水面上に「展開」 ■ 親水性部は水に接する/疎水性部どうしが相互作用 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 22 電球が「切れる」とは ■ エジソンがつくったジェネラルエレクトリック（GE）では，タングス テン（W）フィラメントをつかった電球を開発 ■ タングステンは高融点のため，揮発しにくい ■ 電球内の不純物によりフィラメントが「切れる」 Ｑ タングステンフィラメントの電球が「切れる」のはなぜですか． 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 23 電球が「切れる」とは ■ エジソンがつくったジェネラルエレクトリック（GE）では，タングス テン（W）フィラメントをつかった電球を開発 ■ タングステンは高融点のため，揮発しにくい ■ 電球内の不純物によりフィラメントが「切れる」 Ｑ タングステンフィラメントの電球が「切れる」のはなぜですか． ・電球中の水分により酸化タングステン（低融点）と水素が生成 ・酸化タングステンは揮発してガラス面に付着 ・付着した酸化タングステンと水素が反応が反応して水が再生 ラングミュアサイクル 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 24 電球のなかでおこる化学反応＝ラングミュアサイクル ・電球中の水分により酸化タングステン（低融点）と水素が生成 ・酸化タングステンは揮発してガラス面に付着 ・付着した酸化タングステンと水素が反応が反応して水が再生 W H2 WO3 H2O WO3 W 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 25 吸着現象についてのラングミュアの貢献 ■ ラングミュアはジェネラルエレクトリック（GE）社で電球の研究 ■ 電球のタングステンフィラメントの消耗の問題 ■ 不純物をとりのぞくより，不活性ガスを充填した方がよい ■ 気体の圧力と吸着量の関係についての考察 ■ ラングミュア式を提唱 ・ほとんどの吸着現象に適用できる＝とくに液相吸着 ・理論的に導き出すことができる＝応用範囲がひろく，吸着をと もなう化学反応（たとえば固体触媒反応）の説明に使える 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 26 吸着等温式（adsorption isotherm） ■ 吸着された物質と表面の相互作用（interaction） ・ファンデルワールス（van der Waals）力： 物理吸着 （physical adsorption） ・化学結合： 化学吸着 （chemisorption） ■ 吸着量の濃度（圧力） 依存性： 吸着等温線 （isotherm） 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 27 吸着等温線（吸着等温式） さまざまな吸着等温線（型） A B C D 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 28 ラングミュア式の３つの前提条件 ラングミュア式を誘導するためには３つの仮定が必要 ■ 仮定１： 表面上に均質な吸着サイトが存在し，サイトと吸着 質の相互作用により吸着が起こる（サイトの吸着力は一定） ■仮定２： 吸着サイトにはひとつの吸着質のみが吸着できる（多 重吸着は起こらない） ■仮定３： 吸着サイトどうしの相互作用はない（吸着のあるなし がとなりの吸着サイトの吸着には影響しない） 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 29 吸着平衡（adsorption equilibrium） ■ 吸着平衡とは： 吸着速度と脱着速度が等しい状態 adsorption equilibrium: same rate of adsorption and desorption 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 30 ラングミュア式の導出 ■ 吸着平衡時に吸着速度と脱着速度は等しい Same rate of adsorption and desorption at equilibrium ■ 吸着速度（rate of adsorption）： ra = ka[v]C 脱着速度（rate of desorption）： rd = kd[o] ka[v]c = kd[o] kaC [v]/([v]+[o]) = kd[o]/([v]+[o]) kaC (1 - θ) = kdθ KC (1 - θ) = θ θ= KC/（1 + KC ） ●空きサイト（vacant site）： [v]・埋まったサイト（occupied site）： [o] ●被覆 率（coverage）： θ = [o]/([v] + [o]) ●基質の平衡濃度（concentration at equilibrium）： C ●速度定数（rate constant）： ka，kd ●吸着平衡定数 （equilibrium constant）： K = ka/kd 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 31 Ｑ： ラングミュア式の極限は？ ■ 実際の吸着量とθの関係： 飽和吸着量 s [S]ads sKC = sθ = 1+ KC ■ ラングミュア式の特殊ケース ・C が小さく，KC が1と比べて無視できる： [S]ads∝ When C is so small that KC can be neglected ・C が大きく，KC が1よりずっと大きい： [S]ads= When C is large enough to neglect 1 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 32 Ｑ： ラングミュア式の極限は？ ■ 実際の吸着量とθの関係： 飽和吸着量 s [S]ads sKC = sθ = 1+ KC ■ ラングミュア式の特殊ケース ・C が小さく，KC が1と比べて無視できる： [S]ads∝ C When C is so small that KC can be neglected ・C が大きく，KC が1よりずっと大きい： [S]ads=s When C is large enough to neglect 1 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 33 ラングミュア型吸着の理想的な等温線 ■ ラングミュア吸着は2つの極限状態がある 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 34 クイズづくりの練習 ▼ もっとも半径が小さいイオンは何か： 《予想解答》水素イオン・《正答》F7+ （ネットで調べてみたところ，水素イオンのイオン半径は 記載されていないか値がマイナスでした．意味はよくわかっていません．調査中） 《コメント》そもそもイオンの大きさというのはどうやってはかるのか，ということの方がおもしろ い問題です．大学院生でもちゃんと答えられる人は少ないと思います． ▼ 無重力状態の宇宙ステーションのなかで物体の質量はどうしたらはかれるか： 《正答》バネをつかってはかることができる．宇宙ステーションの適当な壁にばね定数（k/N m1）のわかっているバネをつけ，その先に質量をはかりたい物体をとりつけ，単振動させる．物 体の質量m （kg）は宇宙ステーションとくらべてはるかに小さいので物体の運動だけを考えれ ばよい．単振動の周期T （s）から，T ＝ 2π（m/k）0.5 から，m をもとめる． ▼ 波の高さはどうやって測定するか： 《予想解答》音波を測定する装置を用いる/見た目で決める・《正答》海底に設置した「超音 波式波高計」がもっとも正確．海底から海面に向かって超音波を発して，もどるまでの時間を 計測することで波高をわりだす．また，沖にうかんでいるブイに加速度計や圧力計をつけて波 の高さを測ることも可能．機械を設置できない場合には目視できめる． 《コメント》「波の高さ」とは何なのか，ということを定義する必要がありますが，その中にはきっ と「波のないときに海面の高さ」が問題になるのではないかと思います．では，それはどうやっ てはかればいいのか．．． 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 35 質問．．． Ｑ Ｑ Ｑ あなたのニックネームは何ですか 質問は何ですか（すくなくとも1つ） 今回の講義の感想・意見 講義のウェブページ http://www.hucc.hokudai.ac.jp/~k15391/ [email protected]/011-706-9132 北大 大谷研 検索 2010/07/08─ 2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第 「クイズで学ぶ化学と科学」第9回 36
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