授業科目

基礎物理化学
Basic Physical Chemistry 

担当者

准教授 鈴木 健太郎
後 水3
講師   天野 力
後 水3

単位

2

到達目標

受講生が熱、仕事、エネルギー、熱力学第一法則、熱力学第二法則、内部エネルギー、エンタルピー、エントロピー、ギブズ自由エネルギーの成り立ちの背景や目的の説明ができ、それらの量の計算ができることを到達目標とする。

授業内容

初めに熱に関連した概念、法則、機器の発見や発明の動機となった現象や問題を丁寧に解説する。エネルギー、熱、仕事に関する基本的な法則(熱力学)を学ぶ。それを主として化学反応に適用したものが化学熱力学である。熱力学はエネルギーの保存則(熱力学第一法則)、変化の非可逆性の法則(熱力学第二法則)からなる。前者は熱や仕事の量は変化の道筋に依存するが、それらの和は変化の道筋に無関係であるという内容を持つ。後者は仕事は熱に百パーセント変えられるが、その逆は不可能であるという内容を持つ。これら2つの法則から化学反応に伴う熱と仕事の計算ができる。熱機械(ガソリンエンジンやジェットエンジンなど、熱から仕事を得る機械)の動作原理の理解や効率の向上のための基礎であることに注意されたい。
 また化学科のカリキュラムポリシーとの関連では本講義は物質科学の知識の習得を目的とし、その中で物理化学の反応化学の分野に属するものである。

授業計画

概念や法則の成り立ちと評価に関する質問に答える、演習問題を解いて解き方と答えを発表する、ことによりアクティブラーニングを心掛ける。エネルギーについて学ぶ科目であるのでエネルギーと環境の関係を考える。問題を通して環境授業時間中に計算問題の解き方の演習をする。予習として各回の該当ページを読んでくること、わからない用語について考え調べてくることが必要である。復習として各節の内容を短くできれば1つの文章にまとめてみること、演習問題を自ら解いてみることが不可欠である。

1 本授業の趣旨、授業計画、学習の仕方などを理解する。
  5章 分子の集団 5.1 理想気体の状態方程式
   気体の状態変数、圧力と温度を学んだ後、理想気体の状態方程式の成り立ち、意味、
使い方を学ぶ。
2 5.2 理想気体の分子運動
   気体分子の運動から気体の圧力が生じること、気体分子の速度分布、平均速度と運
動エネルギーを学ぶ。
3 5.3 実在気体の状態方程式
   実在気体の状態方程式の中、ファン デル ワールス状態方程式とビリアル状態方
程式についてその成り立ち、意味、実験データとの比較を学ぶ。
4 8章 物質の熱的性質とエネルギー 8.1 熱と仕事
   仕事、熱、エネルギー、およびそれらの関係を理解する。    
5 8.2 熱力学第一法則
物質の内部エネルギーの考え方、熱力学第一法則の成り立ち、意味、使い方、
および標準環境下で熱を与えるエンタルピー、物質の熱容量を理解する。
6 8.3 化学反応とエンタルピー
ヘスの法則はエンタルピーが状態量であると表現されること、それに基づいて標準
燃焼エンタルピーや標準生成エンタルピーを用いて未知の反応の燃焼熱が計算できる
ことを学ぶ。
7 9章 9.1 熱力学第二法則 9.1.1 クラウジウスとトムソンによる表現
熱力学第二法則が変化の非可逆性、熱の移動方向の非可逆性や熱と仕事の転換の非
  可逆性を表していることを理解する。またクラウジウスによる表現とトムソンによる
表現が同値であることを理解する。
8 9.1.2 自発的な変化の方向とエントロピー
熱力学第二法則すなわち状態変化の非可逆性を定量的に表現する量であるエントロ
ピーについて学ぶ。   
9 9.1.3 熱力学第三法則と標準エントロピー
熱力学第三法則によりエントロピー変化でなく物質のエントロピーそのものが得ら
れることを理解する。それによりエントロピー変化が計算できるようになる。
10 9.2 カルノーサイクル
熱機械の効率について学ぶ。カルノーサイクルが熱機械の最大の効率を与えること
を理解する。また環境問題との関連で熱機械の効率を上げることが大切であることを
学ぶ。
11 10章 物質の自由エネルギーと化学平衡 10.1 ギブズ自由エネルギー
10.1.1 自由エネルギー変化と自発仮定の方向
限定された条件下ではエントロピーよりもギブズ自由エネルギーやヘルムホルツ自
由エネルギーの方が変化の可逆・非可逆の判定に便利であることを理解する。
12 10.1.2 ギブズ自由エネルギーの圧力依存性
ギブズ自由エネルギーの圧力依存性とその応用として氷の融点の圧力依存性など
について学ぶ。。
13 10.2 自由エネルギーと化学平衡(1) 平衡定数
ギブズ自由エネルギーにより物質の平衡状態特に化学平衡の状態が表現されること、
平衡定数の表現が得られることを学ぶ。
14 10.2 自由エネルギーと化学平衡(2)  とル シャトリエの原理とファント ホッフ
の式など
状態変数例えば温度や圧力を変化させたとき化学平衡の状態が反応系と生成系のど
ちらに有利に働くかを学ぶ。また平衡定数の温度変化から反応エンタルピーを求め
るファント ホッフの式を学ぶ。

授業運営

概念発生の背景や源となる問題を易しく述べ、理論の進展の後を丁寧にたどる。学生参加、双方向性授業、などアクティブラーニングの方法の一環として授業中に演習問題を解いてもらうことにより法則や物理量の使い方を身につける。演習問題の解答の解説をする。

評価方法

期末試験および演習問題の成績で評価する。

オフィスアワー

授業終了後その場で受け付ける。電子メールでも受け付ける。

使用書

原 公彦 他『ベーシック物理化学』[化学同人]2008年

参考書

P.W.Atkins『アトキンス 物理化学(上)』[ 東京化学同人 ]2001年
斎藤勝裕・林 久夫『大学の物理化学』[裳華房(ステップアップ)]2009年

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