スーパーサイエンス・ハイスクール特別講義スライド

２００４年６月１９日
SSH 岩手県立水沢高等学校
特別講義：サイエンスを楽しもう！
Let’s Enjoy Science !
１：科学とは？化学とは？
２：蝋燭の火を消す方法？
３：沸騰石が「死ぬ」理由？
４：炭素や水から何ができるか？
東北大学理学部化学科
大野公一
札幌
水沢
仙台
東京
宮澤賢治の愛読書
化学本論
著者東北大学理学部理論化学研究室初代教授
片山正夫
明治４４年－大正８年
サイエンスを楽しもう！
科学とは？
なぜ？どうして？
「考える・調べる・やってみる」
化学とは？
原子や分子に着目して、
物質の構造・性質・変化を科学する
聖火リレー：「愛」の火をつなげ！
火を消す方法？
燃焼の三要素
1.燃えるものが必要
2.酸素が必要
3.温度が必要
消火の三要素
1.可燃物の除去による消火
2.窒息効果による消火
3.冷却効果による消火
蒸留と沸騰石：沸騰石の謎？
突沸を防ぐため、沸騰の
核となる沸騰石を始めに
入れておく。
沸騰石
蒸留を中断し、再び加熱
を始める前にも新しい沸
騰石を入れる。
炭素 C や水 H2O から何ができるか？
Cの単体（同素体）

石墨（グラファイト）

ダイヤモンド
サッカーボール状炭素の発見
H.W. Kroto博士
宇宙から来る電波の謎を解くため
地上で炭素の反応実験 1985年
蒸発用レーザー
イオン化用レーザー
炭素棒
レーザー蒸発質量分析装置
C60
チューブ状炭素の発見
飯島澄男博士
電子顕微鏡で原子の並び方を直接見よ
うとしてカーボンナノチューブを発見
１９９１年
水 H2O から何ができる？
水の電気分解
水が光分解することを発見
藤島昭博士 1975年
人工光合成
炭素 C と水 H2O から何ができるか？
C+H2O → （水性ガス） CO + H2
→ HCHO（ホルムアルデヒド）
C+2H2O →
CO2 + 2H2
→ HCOOH（蟻酸）+ H2
→ CH3OOH（過酸化物）
2C+H2O
2C+2H2O
→
CH2CO（ケテン）
→ CH3COOH（酢酸）
コンピュータ化学
エネルギー
構造
反応熱
エネルギー
構造：原子の並び方
極小点（Minimum)の
構造とエネルギーを決定

分子の形（結合長・結合角）
結合エネルギー（反応熱）
エネルギー表面上の反応経路の探索
化合物
：平衡点極小点
活性化状態：峠
鞍点
反応経路： IRC 最低ルート
安定構造（EQ）への
山下りは簡単！
EQ
TS
IRC
TS
EQ
IRC
IRC
EQ
困難
可
TS
遷移状態（TS）への
山登りは困難！
化学反応の登坂アルゴリズム
ＴＳ
ＴＳ
ＥＱ
ＥＱ
K.Ohno & S.Maeda, Chem.Phys.Lett. 384(2004)277.
新アルゴリズム
安定平衡点を囲む全方向の中で、
Downward Distortion ↓が大きい方向を探す！
化学の基本問題が解けるようになった
反応のネットワークが全てわかる
１）異性体が全てわかる
２）合成経路が全てわかる
３）分解経路が全てわかる
CH2Oの合成・分解および異性体
O
H
H
H
O
PATH5B
H
O
PATH3C
O
CO + H 2
E = 4.3 kcal/mol
H
H
C
C
H
H
PATH5A
H
C
C
O
TS9 (C 2v)
E = 187.4 kcal/mol
PATH3A
EQ5 (C s)
E = 185.3 kcal/mol
H
TS6 (Cs)
E = 110.8 kcal/mol
EQ3 (C s)
E = 60.6 kcal/mol
PATH3B
O
H
O
O
H
C
C
C
H
H
H
C
H
CO + H 2
E = 4.3 kcal/mol
TS3 (C 1)
E = 87.5 kcal/mol
TS7 (C 1)
E = 185.5 kcal/mol
PATH2A
PATH4A
H
H
H
PATH4B
O
PATH2B
H
H
PATH4C
O
H
TS2 (Cs)
E = 90.0 kcal/mol
TS4 (Cs)
E = 123.0 kcal/mol
PATH1B
H
PATH2C
O
PATH2D
O
O
PATH1A
H
O
C
C
TS8 (C s)
E = 172.7 kcal/mol
EQ4 (C 2v)
E = 168.7 kcal/mol
C
TS5 (C 1)
E = 175.7 kcal/mol
新反応
H
EQ2 (C s)
E = 55.7 kcal/mol
C
C
C
H
TS1 (Cs)
E = 86.4 kcal/mol
H
H
EQ1 (C2v)
E = 0.0 kcal/mol
既知の反応
CH2Oの異性体
40.3 kJ/mol 14.5 kJ/mol 13.3 kJ/mol
44.3 kJ/mol
0.0 kJ/mol
H2＋CO ←→ HCHO
H
C
O
蟻酸HCOOHの異性体
既知反応
新反応
シアン酸HOCNとその異性体
HOCN
HNCO
HNOC
HONC
HCNO
HCON
反応経路完全探索法の応用

資源を無駄にせず余計なものを作らない、
安全・安価な合成方法の開発

尿素の合成方法の探索

クリーンなエネルギー源としての「水素」の安価・安全な
生産方法の開発
無機物から触媒なしに作る方法？
アミノ酸の合成方法の探索

無機物からグリシンを作ることができるか？
理論化学研究室：研究風景（１）
理論化学研究室：研究風景（２）
東北大学
化学科
理学部
広瀬川
理論化学研究室
青葉山
オープンキャンパス：２００４年７月２９−３０日

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