2008 年度　化学熱力学

2008 年度　化学熱力学

担当　　高原周一

講義日程（予定）1 日目　ガイダンス，分子間力についての演示実験2 日目　古典力学と量子力学，分子間力3 日目　力とエネルギー，内部エネルギー4 日目　内部エネルギー（続き），温度5 日目　小テスト（１），熱力学第１法則，エンタルピー6 日目　熱力学の応用例（エアコンのしくみなど），エントロピー7 日目　口頭報告（１）8 日目　口頭報告（１）の答あわせ，エントロピー（続き）9 日目　小テスト（２），自由エネルギー10 日目　自由エネルギー（続き），速度論的要因11 日目　化学平衡　12 日目　口頭報告（２）13 日目　口頭報告（２）の答あわせ，エンジンの効率，まとめ14 日目　予備テスト15 日目　定期テスト

授業の概要① 　　以下の事項について自分の言葉で全体像を

説明できるレベルを目指す．

• 力とエネルギーの関係は？• 内部エネルギーとは何か？• 内部エネルギーと温度の関係は？• エンタルピーとは何か？• エントロピーとは何か？• 自由エネルギーとは何か？• 化学反応の進む方向は何によって決まるのか？

授業の概要② 　　熱力学はマクロな現象を扱うが，これをミクロな事象

から理解する（＝分子論的に理解する）ことを目指す． 　　ミクロ（微視的）とは原子・分子レベルのスケールでものを見

ること　　　 マクロ（巨視的）とは日常生活のスケールでものを見ること

③ 熱力学は本来定量的な学問であるが，本質を見失うことを避けるために，定性的な理解を重視する．定性的な理解を促進するため，熱力学量の変化の符号を問う演習を行う．

④ 熱力学の応用についても触れる（特にエネルギー関連の技術について）．

熱力学を学ぶ意味

• 化学現象を理解する上で重要．• エネルギー問題の解決や新素材開発等に

必要な知識．• 論理的な思考の訓練の機会．

単位認定・評価方法　 最低限習得すべき事項の理解と実質的な授業参加がなさ

れていれば，単位を認定する．

• 予備テスト＋定期テスト（ 70 点）• 出席点（ 10 点）• レポート（ 20 点）

• 上記の評点の合計が 60 点以上なら単位を認定する．• 評点が 60 点未満でも定期テストで 60 ％以上の点を取っ

ていれば単位認定する（出席日数不足の者を除く）．• レポート点が低い者に対して，レポートの提出を求める

ことがある．

授業の進め方（１）　口頭報告　（演習）• 次々回までに４～６人の班を作っておく．メンバーは自由．

３人以下の班および班が作れなかった人は，高原が主導して統合・再編を行う．

• 演習の前々週の授業で，演習問題を発表する．各個人は，全ての演習問題を解いてくる（宿題）．

• 演習の前週の授業時間の最後に班でディスカッションする．時間が足りなければ授業時間外に再度集まる．

• 演習の当日（土曜日の可能性もある）は班単位で演習問題の解答を口頭で高原まで報告に来る．だれが報告するかはその場で高原が指名する．報告のための時間は授業時間内に取るが，時間が足りなかった場合には授業時間外に高原の部屋まで出向くこと．この報告は単位取得の必要条件．

• 予備テスト・定期テストには演習問題の類題を中心に出題．

口頭報告制度を採用する理由• 人に説明でき，ちょっとした質問に答えることができれ

ば，よく理解できているということである．口頭で報告することにより，受講生が自分の真の理解度を把握することができる．

• 班内でディスカッションすることで，討論する力を磨くことができる．

• 班のメンバーの理解度に差がある場合，教えあいが成立する．他人に教えることにより深い理解が得られるという効果も期待できる．

　　この制度を成功させるためには，班内で素朴な疑問を出し合ったり，率直な意見表明ができたりする雰囲気を作ることが大切．

出欠確認 授業当日に課題提出がある場合はそれにより出

欠確認を行う．課題提出がない場合は，授業の最後に感想・質問・要望を書いてもらい，その提出により出欠確認を行う．何も提出しないと欠席と見なされるので注意すること．

注：　質問，要望にはできるだけ回答したいので，具体的にわかりやすい表現で書いてほしい．

課題• 課題内容は主に講義・冊子に対する質問，演習問題，

熱・エネルギー関係の自由学習など．

• 課題によっては匿名で授業のホームページに掲載することがある．URL 　　 http://www.chem.ous.ac.jp/~takahara/chth/

• 課題提出には基本的に課題提出システムを使用するが，課題によってはレポート用紙に書いて提出してもらう．

• 課題提出しなかったもの，再提出を要求されたものは期末試験前日までの提出を受け付ける（ただし，評価点は減点する）．

冊子＋パワーポイントの使用• 授業は高原が作成した冊子＋パワーポイントを主体に行う．補助的にプリントを配布する．板書はあまり行わない．

• 講義中にメモをとる．プリントに必要な点を書き入れるとよい．

• 前回に配ったプリントも持ってくるようにする．

• 配ったプリント類はバインダー等に閉じて無くならないようにする．

• 参考書として「バーロー物理化学（上）第 6版」を用いる．

心得

• 丸暗記に走らず，理解する努力を！

• わからないところがあれば気軽に質問にくる．

＜本日の講義内容＞（１）分子間力についての演示実験と講義（２）感想文提出（出欠を兼ねる）

＜連絡事項＞　次回の講義で冊子を販売する．価格は

900~1000 円ぐらいの予定．

課題　課題提出システムで提出， 9月 30 日

まで　　クラス ID： 0809takahara

　現時点での「私のやりたい仕事」もしくは「将来の夢」について理由・経緯も含めて書け．

静電気実験

• ビニールひも（ポリプロピレン）で「静電気クラゲ」．

　【質問】　なぜこの「クラゲ」は浮いてしまうのか？

マイナスプラス

　＜静電気力の特徴＞

①同符号の電荷（＋と＋，－と－）は反発しあう．②異符号の電荷（＋と－）は引き合う．③距離が近いほど大きな力がはたらく．

ガラス棒：　プラスに帯電ストロー（ポリプロピレン）：　マイナスに帯電

マイナスプラス

引力？反発力？相互作用なし？

＋

ガラス棒

水の場合

－

引力？反発力？相互作用なし？

ストロー

水の場合

＋

＋

― ＋

O

H

H

＋

＋

―

―

O

H

H

水分子には極性がある．

＋

―

＋

＋

＋ ―

イオンの水和

＋ ― ＋ ― ＋ ―

＋ ― ＋ ― ＋ ―

＋ ―

＋―

＋ ― ＋ ― ＋ ― ＋―

ヘキサン

ヘキサンは無極性分子

引力？反発力？

－

相互作用なし？

ヘキサンの場合

ストロー

―

原子核

電子

＋

―

―

原子核電子

＋―

原子核電子

＋―

＋

＋

―

O

H

H

水分子とヘキサン分子は引き合う！

水とヘキサンが分離するのはなぜ？

水と油が分離する理由

水素結合

＋― ―

様々な物質と静電気　マイナスに帯電した塩ビパイプを近づけ

るとどうなるか？

• 金属（アルミの空き缶）• 紙（トイレットペーパーの芯）• 湯のみ

金属に電荷を近づけると．．．

+ +

+

+ +

+

+ +

+

+

自由電子 原子（陽イオン）

電子

―

塩ビ

パイ

プ

＋

様々な物質と静電気　マイナスに帯電した塩ビパイプを近づけ

るとどうなるか？

• 金属（アルミの空き缶）　　　　　引力• 紙（トイレットペーパーの芯）• 湯のみ

　　マイナスに帯電した塩ビパイプを近づけるとどうなるか？

• 金属　　　　　　　　　　　 引力• 紙　　　　　 引力• 湯のみ 引力

　　静電気による引力は，集塵機やコピー機などで利用されている

様々な物質と静電気

―

原子核

電子

＋

―

―

原子核電子

＋―

なぜいつも引力なのか？• 全ての物質は，原子から出来ている．• 全ての原子は，原子核（＋）と電子（－）から出来

ている．• 電子（場合によっては原子）は，物質中である程度動ける．

―

原子核電子

＋―

＋

＋

―

O

H

H

自然科学の楽しさ

仮説（予想）→実験→仮説（予想） →実験．．．．　　

• 予想があたると，嬉しい．• 予想がはずれると，もっと嬉しい（大発見か

も）．

• 仮説をたてる（＝現象のしくみをイメージする）のが楽しい．