概要:
物理化学は、種々の物質の構造と特性について、巨視的および微視的な２つの立場から理解しようとするものである。物理化学２では、エンタルピー、エントロピーなど物理化学１で学んだ熱力学のパラメータからなるギブス自由エネルギーを定義し、物理的および化学的工程が自発的に進む方向の判定について学ぶ。ギブスの相律について学び、単成分、二成分系までの相平衡状態図の読み方を理解し、物質創製の指針や考え方に繋げる。ギブスエネルギーを電子の授受、すなわち酸化還元反応に適用することで電気化学反応の基礎を説明し、現代社会への具体的な応用例を知る。
ところで、相平衡を論じる際には、ある反応系が時間無限大、すなわち十分時間を経過して平衡に達した時点の生成系を論じた。言い換えると、反応系の状態と生成系の状態のみを注視し、その途中経路を問わないのが平衡論の本質であった。物理化学２の後半には、その途中過程、時間変化に視点を置いた反応速度論について学ぶ。反応速度の記述方法やその数学的取扱いに慣れ、単純な反応メカニズムを予測することができる。
授業の進め方・方法:
使用テキスト「アトキンス物理化学要論第６版（東京化学同人）」に準拠し、講義形式で進める。物理化学(II)においては第５章から第９章までを学ぶ。必要に応じて資料を配付し、演習問題を解いて理解を深める。授業中に数値計算を課すので関数電卓は必ず持参すること（定期試験にも電卓持込みとする）。なお、専門用語の英語訳は将来的に極めて重要であると考え、早いうちから慣れておくことを必須課題とする。具体的にはテキスト脚注の英単語はすべて必修とし、定期試験に出題する。
注意点:
物理化学の理解には数式の取扱いが必須であり、これまで数学で学んだ微積分、幾何学などを活用していくことになる。
数学が苦手だった学生には、嫌々復習するのではなく、自然の法則が数式によって記述されることに新鮮な感動を覚え、自身の計算で科学現象を導く醍醐味を味わってほしい。
１．関数電卓の使い方に慣れ、単純な計算でも必ず実行して最終結果まで自身で導くこと。
２．計算時、必ず「単位」に留意せよ。異なる単位同士の足し算・引き算はあり得ない。異なる単位の掛け算・割り算によって別の単位が生成する。
３．紙とエンピツによる数式の手計算も重要である一方、エクセル等のPCソフトの活用は極めて有効であると心得よ。
本講義の中にも随所に数学の基礎知識を確認する演習等を行うが、到達目標に達しない場合は追加課題を与える。
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週 |
授業内容 |
週ごとの到達目標 |
| 前期 |
| 1stQ |
| 1週 |
概要説明
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| 2週 |
純物質の相平衡① |
ギブス自由エネルギーを定義でき、その変化を説明できる
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| 3週 |
純物質の相平衡② |
純物質の状態図を理解し、蒸気圧曲線を説明できる
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| 4週 |
純物質の相平衡③
混合物の性質① |
相律を理解して、純物質および混合物の自由度を計算できる
理想溶液と実在溶液を定義でき、実用的な濃度計算ができる
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| 5週 |
混合物の性質② |
理想溶液と実在溶液を定義でき、実用的な濃度計算ができる
化学ポテンシャルについて説明でき、化合物の標準生成自由エネルギーを計算できる
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| 6週 |
混合物の性質③ |
束一的性質を理解し、沸点上昇、凝固点降下が計算できる
二成分系状態図を理解して、気液および固液平衡を説明できる
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| 7週 |
中間試験 |
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| 8週 |
試験返却 |
中間試験範囲で理解不十分であった点を認識する。理解できていた点についても別解法や多面的な理解を深める。
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| 2ndQ |
| 9週 |
化学平衡の原理① |
標準反応ギブスエネルギーを理解し、反応ギブスエネルギーを計算できる
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| 10週 |
化学平衡の原理② |
平衡定数を定義し、平衡状態を記述できる
気体および液体における化学平衡を説明できる
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| 11週 |
化学平衡の原理③ |
化学平衡に対する温度、圧力条件が与える影響について説明できる
均一および不均一反応の平衡を説明できる
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| 12週 |
溶液の化学平衡① |
酸、塩基を理解し、プロトン移動平衡に関する諸計算ができる。
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| 13週 |
溶液の化学平衡② |
緩衝作用を理解し、緩衝液のpHを計算できる。
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| 14週 |
溶液の化学平衡③ |
溶解度・溶解度積を理解し、溶解度・沈殿生成に関する計算ができる
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| 15週 |
期末試験 |
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| 16週 |
試験返却 |
期末試験範囲で理解不十分であった点を認識する。理解できていた点についても別解法や多角的な理解を深める。
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| 後期 |
| 3rdQ |
| 1週 |
概要説明 |
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| 2週 |
溶液の熱力学① |
理想溶液と実在溶液を定義でき、実用的な濃度計算ができる
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| 3週 |
溶液の熱力学② |
束一的性質を理解し、沸点上昇、凝固点降下が計算できる
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| 4週 |
溶液の熱力学② |
コロイドと界面の特徴を理解し、コロイド分散系について説明できる
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| 5週 |
電気化学① |
ギブス標準自由エネルギーと標準電極電位を説明できる
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| 6週 |
電気化学② |
ネルンストの式を用いて化学電池の起電力を計算できる
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| 7週 |
電気化学③ |
電池反応と電気分解を理解し、実用例を説明できる
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| 8週 |
中間試験 |
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| 4thQ |
| 9週 |
試験返却 |
中間試験範囲で理解不十分であった点を認識する。理解できていた点についても別解法や多角的な理解を深める。
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| 10週 |
反応速度論① |
反応速度の定義を理解し、実験的決定方法を説明できる
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| 11週 |
反応速度論② |
反応次数の概念を理解し、反応速度式を立てて解くことができる
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| 12週 |
反応速度論③ |
1次反応、2次反応の半減期を求めることができる
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| 13週 |
反応速度論④ |
律速段階近似、定常状態近似等を理解し、応用できる
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| 14週 |
反応速度論⑤ |
活性化エネルギーを理解し、アレニウスプロットを説明できる
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| 15週 |
期末試験 |
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| 16週 |
試験返却 |
期末試験範囲で理解不十分であった点を認識する。理解できていた点についても別解法や多角的な理解を深める。
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| 分類 | 分野 | 学習内容 | 学習内容の到達目標 | 到達レベル | 授業週 |
| 専門的能力 | 分野別の専門工学 | 化学・生物系分野 | 分析化学 | 電離平衡と活量について理解し、物質量に関する計算ができる。 | 4 | 前12 |
| 溶解度・溶解度積について理解し必要な計算ができる。 | 4 | 前14 |
| 強酸、強塩基および弱酸、弱塩基についての各種平衡について説明できる。 | 4 | 前12 |
| 強酸、強塩基、弱酸、弱塩基、弱酸の塩、弱塩基の塩のpHの計算ができる。 | 4 | 前12 |
| 緩衝溶液とpHの関係について説明できる。 | 4 | 前13 |
| 物理化学 | 純物質の状態図(P-V、P-T)を理解して、蒸気圧曲線を説明できる。 | 4 | 前2,前3 |
| 2成分の状態図(P-x、y、T-x、y)を理解して、気液平衡を説明できる。 | 4 | 前3 |
| 束一的性質を説明できる。 | 4 | 前6 |
| 蒸気圧降下、沸点上昇より、溶質の分子量を計算できる。 | 4 | 前6 |
| 凝固点降下と浸透圧より、溶質の分子量を計算できる。 | 4 | 前6 |
| 相律の定義を理解して、純物質、混合物の自由度(温度、圧力、組成)を計算し、平衡状態を説明できる。 | 4 | 前4,前6 |
| 平衡の記述(質量作用の法則)を説明できる。 | 4 | 前10 |
| 諸条件の影響(ルシャトリエの法則)を説明できる。 | 4 | 前10,前11 |
| 均一および不均一反応の平衡を説明できる。 | 4 | 前11 |
| 熱力学の第二・第三法則の定義と適用方法を説明できる。 | 4 | |
| 純物質の絶対エントロピーを計算できる。 | 4 | |
| 化学反応でのエントロピー変化を計算できる。 | 4 | |
| 化合物の標準生成自由エネルギーを計算できる。 | 4 | |
| 反応における自由エネルギー変化より、平衡定数・組成を計算できる。 | 4 | |
| 平衡定数の温度依存性を計算できる。 | 4 | 前11 |
| 気体の等温、定圧、定容および断熱変化のdU、W、Qを計算できる。 | 4 | |
| 反応速度の定義を理解して、実験的決定方法を説明できる。 | 4 | |
| 反応速度定数、反応次数の概念を理解して、計算により求めることができる。 | 4 | |
| 微分式と積分式が相互に変換できて半減期が求められる。 | 4 | |
| 衝突理論を理解して、アレニウスプロットを説明できる。 | 4 | |
| 連続反応、可逆反応、併発反応等を理解している。 | 4 | |
| 律速段階近似、定常状態近似等を理解し、応用できる。 | 4 | |
| ネルンストの式を用いて、起電力、自由エネルギー、平衡定数の関係が説明できる。 | 4 | |
| 電池反応と電気分解を理解し、実用例を説明できる。 | 4 | |