授業科目

量子化学
Quantum Chemistry

担当者

教授   上田 渉
後 木1

単位

2

到達目標

量子化学は化学物質の中での電子の振る舞いを説明する重要な学問であり、有機・無機を問わず様々な物質の物性を理解する上で必須であり、また新しく物質を作り出していく上で重要である。講義はその根幹となる内容を分かりやすくまとめ、応用ができるように工夫している。実際に応用する上では、講義を越えた多くのことを学ぶ必要があるが、本講義の到達目標は、受講生が量子論を化学の反応や物性を理解するのに利用できるまでの能力を身につけることである。

授業内容

最初に量子力学の始まりから説明し、量子の考え方を導入する。そして原子を構成する電子の姿を量子の目で捉え、原子の性質が現れる原因へと結びつける。これを分子の世界に展開し、分子の結合の形成や切断、分子の構造、物性などを量子論的に説明できるようにする。さらに,有機反応や光反応の現象の量子論的理解を進める。第1回目にシラバス記載事項を確認する。

授業計画

授業計画
 講義は以下の授業計画に沿って進められる。各内容は、極力平易な形で理解できるものとするが、数式が頻出するので配布される資料や参考図書などで関連するところの内容を予習・復習すること。

1. 量子力学の基本原理—粒子と波
原子、電子の世界では古典力学が崩壊し、量子力学の概念が必要である。その誕生を見る。
2. シュレーディンガー方程式
量子の世界の力学を支配するシュレーディンガー方程式と波動関数を導入し、それを解釈する。
3. 量子力学的基本原理
波動関数に含まれる情報である確立密度、固有値、重ね合わせ原理、不確定性原理を理解する。
4. 電子の軌道とエネルギー準位
量子力学における原子の電子は量子化され、波動関数によって規定された電子の軌道が与えられ、それらの持つ離散的なエネルギー準位を持つ構造を見る。
5. 量子数と原子構造
4に引き続き量子数を分類しながら電子軌道を捉え、電子配置が決まる規則などを学ぶ。
6. 電子配置と原子の周期性
各元素の電子配置から元素の周期性を導き、周期表の成り立ちを理解する。
また、遮蔽効果や軌道混成原理を導くスピン相関を導入し、元素の性質を整理する。
7. 多電子原子の構造と性質
イオン化エネルギー、電子親和力、電気陰性度、酸化数、原子とイオンの半径、結合エネルギーの周期的整理を量子論で進める。
8. 原子価結合法
共鳴、σ結合やπ結合,混成の概念を通して分子の構造や性質を導く。
9. 分子軌道法
ヒュッケル分子軌道法を導入し、結合の形成と切断が起こる原理を分子軌道形成と分子の電子配置から理解する。
10. 3中心結合の分子軌道
分子軌道を実際に計算し、H2Oが曲がった構造を取る理由を理解するなど、分子の安定構造を導く。
11. 共役二重結合系の量子論
ブタジエンを例に分子軌道とそのエネルギーを求め、化学構造式をもとに分子図を作成する。
12. 共役二重結合系の量子論
有機合成反応において重要なウッドワードーホフマン則を分子軌道法で説明する。
13. 励起状態の量子論
励起状態の化学は物質の性質に大きく関係する。電子のスピン関数や電子遷移をもとに理解する。
14. 分子間相互作用の量子論
量子論で初めて明らかにされた分散力とよばれる分子間相互作用を量子化学的に分類し、概説する。

授業運営

板書を中心に進める。また、講義の各回で時間が許す限り講義の最後にプリントをわたし、演習形式のテストを行う。なお、以下の参考書を例示するが、これに限らない。

評価方法

期末の定期試験100%

オフィスアワー

授業終了後、その場で。

参考書

アトキンス『物理化学上』第8版[東京化学同人]2013年
白井道雄『物理化学』三訂版[実教出版]2011年
大野公一『量子化学』[裳華房(物理化学入門シリーズ)]2012

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