SDGs
無機化学の基礎

SDGsと無機化学 ［SDGsの歴史］［先進国の化学会・化学工業界のSDGsへの取り組み］［様々な領域］［シュレーディンガーの言葉］［問題を解答するときの心得］

【Box 1】二つの文化

文責：山村

1. 元素－すべての始まり ［古代インドと中国の元素］［瞑想と芸術に現れる元素］

【コンテクスト】

1.1 ビッグバン：元素はどのようにしてできたか ［ビッグバンとビッグバウンス］［わずかに残った物質粒子］［宇宙の晴れ上がり］［宇宙背景放射］［カオス状のムラ］

【Box 2】先駆的女性研究者とジェンダー格差［コンピューターと呼ばれた女性たち］［核シェルモデル］

1.2 宇宙における元素の生成

1.3 太陽系の生成 ［雪線］

【Box 3】地球の年齢の測定－同位体元素による年代測定［鉛同位体計算法］［クレア・パターソン］

1.4 地球の元素

【1章 解答例】

文責：木下・山村

2. 原子の電子構造 ［原子と絵画(点描)］

【コンテクスト】

2.1 原子と量子論 ［原子という概念］

 2.1.1 水素原子の電子構造解明への道のり ［プランク定数］［粒子・波動の二重性］［バルマー系列］

 2.1.2 シュレーディンガーの波動方程式 ［シュレディンガー方程式詳細］

 2.1.3 水素原子の原子軌道 ［磁気量子数と軌道］［電子存在確立］

 2.1.4 電子スピン

2.2 多電子原子

 2.2.1 多電子原子内での電子の遮へいと貫入および有効核電荷 ［スレーター則］

 2.2.2 多電子原子での電子配置 ［周期表上原子の特徴］

2.3 元素の電子配置からみた周期性

 2.3.1 原子半径およびイオン半径

 2.3.2 イオン化エネルギー ［第１イオン化エネルギー］

 2.3.3 電子親和力

 2.3.4 電気陰性度

【2章 解答例】

文責：木下・芳賀

3. 物質の結合

【コンテクスト】［化学結合とは何か？］

3.1 共有結合

 3.1.1 ルイス構造 ［Lewisの考えた電子構造ノート］

 3.1.2 原子価殻電子対反発則(VSEPR)［超原子価］

3.2 化学結合の量子論 – 原子価結合法と分子軌道法

 3.2.1 原子価結合法(VB法)［混成軌道の表］

 3.2.2 分子軌道法(MO法)

 3.2.3 MO法による分子エネルギー準位・電子配置の構築

 3.2.4 等核二原子分子 ［紫外光電子分光法］

 3.2.5 異核二原子分子：HFの場合 ［異核2原子分子］

3.3 分子間力

3.4 電気陰性度と化学結合の種類

3.5 イオン結合とイオン結晶構造

 3.5.1 イオン結晶の構造

 3.5.2 格子エネルギーとボルンハーバーサイクル

 3.5.3 格子エネルギーの理論的解釈

3.6 金属結合と構造 ［金属結合と構造］［ドーピングと伝導度］

3.7 電気陰性度と化学結合の種類

 3.7.1 分子の対称性 ［トポロジー］［二酸化炭素(気体)の赤外スペクトル］

 3.7.2 赤外分光法

 3.7.3 ラマン分光法

【3章 解答例】

文責：木下・芳賀

4. 熱力学 ［熱への問い］

4.1 系と境界，熱・仕事・物質の出入り，変数

 4.1.1 系の定義

 4.1.2 熱力学的変数 ［内部エネルギー，熱，仕事］

 4.1.3 可逆過程と不可逆過程 ［平衡・可逆・定常］

4.2 熱力学第一法則

 4.2.1 第一法則のまえに ［熱力学第ゼロ法則］

 4.2.2 熱力学第一法則 (エネルギー保存則) ［熱力学第一法則］

 4.2.3 二種類の熱容量，理想気体の熱容量

 4.2.4 理想気体の可逆等温過程と可逆断熱過程 ［ポアソン関係式］

4.3 熱力学第二法則

 4.3.1 エントロピー

 4.3.2 熱機関 ［熱機関］

 4.3.3 カルノーサイクルと変換効率 ［カルノーサイクル］［クラウジウスの原理］［永久機関の否定］

 4.3.4 温度とは ［温度の概念］

 4.3.5 クラウジウスの不等式とエントロピー概念の導入 ［エントロピーとは］

4.4 自由エネルギー

 4.4.1 ヘルムホルツの自由エネルギー

 4.4.2 ギブスの自由エネルギー

 4.4.3 ケミカルポテンシャルと平衡の条件 ［ケミカルポテンシャルの表式］［相, 相律］

 4.4.4 電池の起電力

 4.4.5 気体の化学平衡，質量作用の法則

4.5 地球と生命系：開放系・不可逆過程・エントロピー

 4.5.1 熱の入射と放射

 4.5.2 閉鎖系としての地球

 4.5.3 地球の中のサブシステムとその境界

 4.5.4 放射強制力と気候感度 ［放射強制力と気候感度］

 4.5.5 熱力学系として見た地球のエネルギー資産と人間活動 ［熱力学系として見た地球のエネルギー資産］［MEP］

 4.5.6 温暖化と温暖化防止の熱力学

【web第４章参考書】

【4章 解答例】

4章のWeb資料完全版

文責：山村

5. 酸・塩基と酸化・還元

【コンテクスト】

5.1 酸・塩基

 5.1.1 ブレンステッド酸・ブレンステッド塩基 ［アレニウス］［ブレンステッドとローリー］

 5.1.2 水中での酸塩基の強さ ［プロトン親和力の熱力学的考察］［水溶液中の酸の酸性度定数］

 5.1.3 ルイス酸と配位 ［フラストレイテッドルイス酸］

 5.1.4 硬い酸・塩基、軟らかい酸・塩基 ［HSAB則］

 5.1.5 HSABから見た自然界に存在する鉱物中の無機イオンの存在状態 ［ゴールドシュミット］［HSABから見た鉱物中の無機イオンの存在状態］

5.2 酸化・還元

 5.2.1 酸化還元反応の例 ［水を溶媒とする酸化還元反応］

 5.2.2 標準電極電位とネルンスト式 ［標準電極電位］

 5.2.3 元素の酸化状態と電位の関係の可視化 ［ラチマー、フロスト、プルーべ］

 5.2.4 元素抽出と二酸化炭素(エリンガム図) ［エリンガム］

5.3 生体での酸化還元反応：窒素の循環 ［窒素の循環］［炭素の循環］

【5章 解答例】

文責：芳賀

6. 周期表の科学

【コンテクスト】

6.1 元素の周期的性質 ［元素の物理的性質］［Combo元素］

6.2 水素

 6.2.1 水素の製法 ［グリーン水素，ブルー水素，グレー水素］［その他の水素製法］

 6.2.2 水素の同位体 ［同位体効果］［トリチウム］

 6.2.3 水素の化合物：水素貯蔵材料としての水素化物 ［水素貯蔵材料］

 6.2.4 水:水素結合による特異な性質 ［超臨界水・亜臨界水］

6.3 主要族元素：sおよびp電子の科学 ［sおよびpブロック元素の生体とのかかわり］［地球・生態環境モニタリングのためのs, pブロック元素の安定同位体］

 6.3.1 p-ブロック元素の結合

6.4 アルカリ金属 (Li, Na, K) ［ソーダ］

6.5 アルカリ土類金属 (Mg, Ca, Sr, Ba) ［MgB2］［炭酸カルシウム鉱物の多形構造］［セメントの化学］［ローマン・コンクリートの秘密］［ヒドロキシアパタイトの結晶構造］

6.6 13族 (B, Al, Ga, In, Tl, Nh) ［Tlの不活性電子対の効果］［アルミニウムの製法］［Nh元素の命名に関するオッズ］

6.7 14族元素 (C, Si, Ge, Sn, Pb, Fl) ［114Fl］［アスベスト、アルミのシリケート］

6.8 15族元素 (N, P, As, Sb, Bi) ［モスコビウム］［空気からパンを作る？］［窒素固定］［ヒ素の毒性］

6.9 16族元素 (O, S, Se, Te, Po, Lv) ［Lv(Livermorium, Po(Polonium)］［リトビネンコ事件］［地球大気］［Lv (Livermorium, Po (Polonium)］

6.10 17族元素 (F, Cl, Br, I) ［ハロゲン族］［ハロゲン単体の化学的性質］［ハロゲンを含む有機化合物］

 6.10.1 ハロゲン族の化合物 ［NaClO3］

6.11 18族元素 貴ガス族 (He, Ne, Ar, Kr, Xe) 

6.12 遷移金属：d, f電子の科学

 6.12.1 遷移金属の特徴 (d電子，f電子，酸化数) ［遷移金属の取り得る酸化数］［錯体の構造］［錯体の異性体］

 6.12.2 d金属錯体の電子構造と物性 ［槌田龍太郎］［結晶場での多電子配置：高スピン配置と低スピン配置］

6.13 希土類元素：f電子の化学 ［希土類元素の原子および３価の陽イオン(M3+)の電子配置］［レアアース、レアメタル］

【6章 解答例】

文責：芳賀

7. 生物無機化学

【コンテクスト】

7.1 SDGsと生物無機化学の関係－(SDGs：生命，健康，地球史) ［地球のメタンの起源］

7.2 生体微量元素の分類とその集合と配位の構造 ［金属イオンを囲むアミノ酸配列］［金属タンパク質・金属酵素中の金属イオン配位］

 7.2.1 電子移動タンパク質・酸化還元反応酵素 ［酸化還元ペアの例］［銅Cu1+，Cu2+］［非ヘム鉄酵素］［クラスター］
        ［Mn含有酵素］［補欠分子族］［プリン塩基］［メタン細菌によるCO2還元］［他のニッケル酵素］

 7.2.2 酸塩基反応触媒の酵素

 7.2.3 重金属中毒，無機医薬，診断薬 ［Tlの毒性］［第2水俣病］［シスプラチン］

7.3 必須微量元素と健康－(SDGs：健康)

 7.3.1 体内微量元素の過不足と健康

 7.3.2 必須微量元素の輸送と濃度制御 ［ミトコンドリア］［鉄輸送］

7.4 光合成明反応と暗反応－(SDGs：エネルギー，気候，陸，海，農薬と緑)

 7.4.1 光合成明反応 ［OECとKokサイクル］

 7.4.2 光合成暗反応：カルビン回路，C3植物－ C4植物 ［NADPHとATP］［カルビン回路］［フルクトース1,6-ビスリン酸］［Rubisco］［光呼吸］［カルビン回路中の金属酵素］［C3，C4植物］

 7.4.3 光合成と食料問題，SDGsの観点から見たCO2固定 ［文献］

7.5 地球史と生物. 先カンブリア紀の大気－(SDGs：地球史と生物)

 7.5.1 生命の誕生 ［図7.12補］［小惑星帯隕石からのアミノ酸］［鉄硫黄ワールド仮説文献］［チムニーでの化学進化］［生き物の定義］［共通祖先］［RNAワールド仮説］［不斉自触媒反応］

 7.5.2 始生代 (シアノバクテリア以前) の嫌気性条件と温室効果ガス ［始生代太陽光］［始生代の大気組成と気温］

 7.5.3 シアノバクテリア以降 (好気性条件と温室効果ガス) ［地球史と生命史参考書］［始生代大気］

 7.5.4 微生物とSDGsの理念

7.6 海洋のpHコントロール－(SDGs：地球温暖化，海洋，食糧生産) ［アルカリ度定義］

 7.6.1 炭酸脱水素酵素 (カーボニックハイドラーゼ CA)

 7.6.2 植物プランクトン (Si型，Ca型) とアルカリポンプ ［珪藻と丸石藻の骨格］［炭素珪素大循環］

 7.6.3 植物プランクトンと食物網 (食物連鎖) ［植物プランクトンによる炭素固定］［オキアミの密度］［ダイナミックス］

7.7 湖沼の富栄養化問題とミネラル－(SDGs：2, 3, 14, 15) ［アオコとその毒素］

7.8 肥料 (N，P，K)－(SDGs：食料問題と生物多様)

7.9 ミネラルと腐食質：陸と海を結ぶもの－(SDGs：海，食料，イノベーション，生物多様性)

 7.9.1 腐植質の化学 (SDGs：森林、食料、陸と海) ［フルボ酸，フミン酸の基本推定構造］

 7.9.2 リグニン化学との関連 (SDGs：森林、イノベーション) ［リグニンのフェントン反応］［木質分解ペルオキシダーゼ］

【Box 4】ミネラルと腐植質

7.10 被曝の生物無機化学－(SDGs：健康，戦争，イノベーション) ［DNA修復メカニズム］

 7.10.1 電離放射線

 7.10.2 放射線と生物と地磁気

 7.10.3 活性酸素種 (ROS)

 7.10.4 DNA防御の一例：メタロチオネイン (MT) とその発現 ［MTの発現メカニズム］

【web第７章文献】

【7章 解答例】

文責：山村

8. 地球科学（気圏・水圏・地圏）とグリーンケミストリー

【コンテクスト】

8.1 気圏、水圏、地圏における循環

 8.1.1 地球システム ［開放系］［生物圏の循環］

 8.1.2 大気の大循環 ［コリオリの力］

 8.1.3 水の大循環 ［水の循環］

 8.1.4 海洋の大循環 ［海洋の循環］

 8.1.5 地圏における循環 ［地球内部構造とマントル循環］［ブルームの上下運動］［地圏内部循環の影響］

 8.1.6 まとめ ［巨大隕石］

8.2 温室効果ガスの循環と気候変動

 8.2.1 温室効果ガスと温暖化に関する研究

 8.2.2 温室効果と温暖化の機構

 8.2.3 温室効果ガスと赤外線吸収 ［分子と電磁波の相互作用：赤外線吸収］［エアロゾルの温室効果］

 8.2.4 温室効果ガスの循環と気候変動 ［人為的炭素蓄積量の増減］［同位体比の算出］

 8.2.5 SDGsの観点から

8.3 海の酸性化

 8.3.1 海洋酸性化 ［海の酸性化］［溶解ポンプと鉛直混合］

 8.3.2 溶存炭素の分析学 ［無機炭素化学種の濃度測定］

 8.3.3 海洋酸性化の海洋生物への影響 ［海洋酸性化の海洋生物への影響の具体例］

8.4 オゾン層の破壊

 8.4.1 オゾンとオゾン層

 8.4.2 成層圏オゾンの生成と消滅 ［ドブソンユニット］

8.5 資源，資源利用と環境汚染

8.6 グリーン・サステイナブルケミストリー

 8.6.1 グリーンケミストリー

 8.6.2 グリーンケミストリーの12か条

 8.6.3 グリーン・サステイナブルケミストリー

 8.6.4 高分子の合成，プラスチックをつくる

 8.6.5 高グリーン・サステナブルケミストリーが取り組むべき課題

 8.6.6 マイクロプラスチック問題

 8.6.7 完全リサイクルできるバイオマスプラスチック ［高密度および低密度ポリエチレン］

8.7 地球環境におけるローカルとグローバルな視点

 8.7.1 地球環境 ［地域循環共生圏］［水俣病］

 8.7.2 グローバルな問題にローカルな視点を：オゾン層破壊 ［オゾンの観測方法］

【8章 解答例】

文責：磯邉

9. 無機物質と人間科学

【コンテクスト】

9.1 空気と水

 9.1.1 空気と水に関するSDGs ［空気と水のSDGs］ 

 9.1.2 空気 ［空気と大気］［大気汚染］

 9.1.3 大気汚染対策 ［大気汚染対策］［原子力発電］

 9.1.4 水

 9.1.5 水資源とその利用 ［水資源賦存量 ］

 9.1.6 水問題 ［水問題］［汚染物質一覧 ］［水貧困指数］

9.2 食糧生産と肥料

 9.2.1 食料と肥料

 9.2.2 窒素肥料とアンモニア合成

 9.2.3 持続可能な食事

【Box 5】無機化学と有機化学の接点：尿素

9.3 エネルギー生産・貯蔵と省エネ

 9.3.1 エネルギー生産：発電

 9.3.2 エネルギー貯蔵と省エネ：蓄電池

 9.3.3 新規エネルギー製造・創出

9.4 環境調和型技術

 9.4.1 元素戦略 ［レアメタル］

 9.4.2 グリーンイノベーション ［カーボンニュートラル］

 9.4.3 リチウムイオン電池 ［リチウムイオン電池の正極材料］［次世代電池の開発］

 9.4.4 環境調和型生分解性プラスチック(グリーンプラ)製造における触媒開発 ［生分解性ポリマー］［PBS合成に関する触媒開発］

9.5 先端無機材料と触媒

 9.5.1 エネルギー利用における無機合成の必要性 ［無機合成の必要性］

 9.5.2 これからの社会に必要な高選択的反応の触媒クラスターの開発

 9.5.3 未来に役立つ新しい錯体製造法

 9.5.4 医療材料における無機化学の利用 ［医療材料における無機化学の利用］

9.6 リサイクルと都市鉱山

 9.6.1 廃棄物と化学の歴史

 9.6.2 バイオマス廃棄物空気

 9.6.3 都市鉱山

【9章 解答例】

文責：磯邉

10. 未来への展望－温暖化問題に対する無機化学のポテンシャル ［グリーン・サステイナブル・ケミストリーのテーマ］

【コンテクスト】［Pleistocene］［永久凍土とメタン］［メタン引き金説］

10.1 ジオエンジニアリングの夜明け ［クルックスの演説と空中窒素固定］［ヨーロッパの人口推移］

10.2 革新的技術 ［画期的新技術の開発］

 10.2.1 人工光合成 ［本多・藤嶋効果］［エネルギーロス］［太陽光スペクトル］［ホール］［メディエーター不使用］［光量子効率100%］［光半導体と触媒点］［CO2固定人工光合成］

 10.2.2 CO2とCH4の回収と資源化の化学 ［CCUSなど］［CO2とCH4の結合解離エネルギー］［SynGasとFT法］［現行のCO2とCH4の改質反応］［表10.2とその詳細］［夢の反応］［マイクロリアクター］［One Pot］

10.3 無機化学の理論の進化 ［準粒子］

 10.3.1 対称性の破れ：複雑系とカオス ［対称性の破れ］［カオスと複雑系］

 10.3.2 トポロジカル・ケミストリー ［点群と対象操作など］［ブリュアン・ゾーンなど］［グラフェンのLCAOとヒュッケル近似］［ベリー位相，ディラック電子］［パーシステントホモロジー］［核磁気共鳴］［電子線回折］［分子記述子］［2021年のアメリカ化学会総説誌の要約］［機械学習］［DFT計算］［交換相互作用］［MD］［タンパク質のde novo合成］［統一原理計算］

【10章 解答例】

文責：山村

11. 持続的未来のための倫理

11.1 現代技術への問い ［東西の技術思想］

 11.1.1 現代技術の第1の特徴－総駆り立て体制 ［ハイデッガーの言葉から］ 

 11.1.2 現代技術の第2の特徴－透明性欠如 ［ホモ・ファーベル］ 

 11.1.3 現代技術の第3の特徴－IT化と非開示の促進

 11.1.4 現代技術の第4の特徴－隠れた主役

 11.1.5 現代技術の第4の特徴－超高速な進化速度 ［スティグレール］［ホームメイド遺伝子操作］［培養肉］［ホメオボックス］

 11.1.6 Sustainable Developmentの意味と倫理の存在理由

【Box 6】最初の原発メルトダウン

11.2 持続的未来とNo One Left Behindの倫理 ［日本化学会倫理規定］［種の絶滅速度］［東西古代の生命倫理］［倫理問題として見た空中窒素固定と原子力］

 11.2.1 世界を破滅に導くところであった－ミッジリーの2つの開発 ［クレア・パターソン］［オゾン層破壊］ 

 11.2.2 科学と科学者の倫理－ブタペスト宣言 ［ブタペスト宣言］

 11.2.3 持続的発展のための倫理 ［強制実施権］［パーマカルチャー］［アラル海の消失］［ニコチノイド系農薬とミツバチ］［IPCC］［GHGプロトコル］［マイニング問題］

 11.2.4 倫理と無関心と教育 ［倫理と教育］

11.3 まとめ ［アインシュタイン・フロイト往復書簡］

【11章 解答例】

文責：木下・山村