茨城県高教研・理化部・理数情報研究委員会 

「直観」で理解する化学の講義

 高校化学で学んだ内容を,また違った視点から見て,講義しています。基本的には長い文章ですが,そのような長文を読むことに慣れてください。難しい用語もでてきますが,難解な式などはできるだけ使わないで講義しています。とにかく,化学の現象を直観的に理解することに重点を置いています。是非とも,読んでみて,化学は面白いと感じてくれたらうれしいかな。ちなみに,化学と数学の教員が書いています。 

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化学結合:化学結合 New!

化学の基本的な問題として、何が原子を結合させて分子にするのでしょうか。難しいけど一緒に考えてみましょう。まずは、ここからスタート  

シュレディンガー方程式という名前は色々なところで聞くことができます。すごく有名ですからね。でも名前を知っているだけで、実はぼんやりしていることが結構多い気がします。難しいけど、がんばって直観でいきましょう。New!

酸と塩基:中和と酸塩基滴定

酸と塩基の定義はたくさんあります。ググればわかりますが、Lavoisierの定義、Solvent systemの定義、Lux-Floodの定義、Mullikenの定義など他にもいくつもあります。高校化学で取り扱っているArrheniusの定義とBrfnsted-Lowryの定義についてじっくりと考えてみましょう 

中和と酸塩基滴定の部分には思い込みがたくさんがあると感じています。一緒に考えてみましょう。 

酸と塩基の部分にも思い込みがたくさんがあると感じています。一緒に考えてみましょう。 

 pH 6の塩酸を100倍希釈するとpHはいくつになるでしょうか? 複雑な計算を使わないで数値的に評価してみます。 

水素イオン濃度と言えば高校で学習する酸塩基滴定ですね。でもこの滴定曲線は、必ず縦軸は水素イオン濃度じゃなくてpHになっています。わざわざpHに変換して用いるのかって不思議に思ったことありませんか?そこで今回は、酸塩基滴定だけでなくあらゆるところで、水素イオン濃度“[H+]”じゃなくて、pHを使う理由について考えてみましょう。New!

分子間力:分子間力と分子間相互作用 

分子間力とはいったい何なのでしょうか。高校化学の教科書や資料では,ちゃんと書いてあるのか無いのか,正直わかり難くて困りますよね。分子間力を理解する第一歩として,分子間相互作用を紹介します。 

分子間相互作用を考えるための重要な内容として,分子の“分極と双極子モーメント”があります。高校の教科書や資料では必ず取り扱われている内容なのでわかっていると思います。今回は,“等核2原子分子”や“異核2原子分子”にも触れてちょっとだけプラスして講義します。 

双極子モーメントと似たもので“誘起双極子モーメント”というものがあります。分子間相互作用を理解するためにはそれが必要です。数式を使った細かい議論は抜きにして誘起双極子モーメントを直観的に考えてみましょう。 

分子間力はファンデルワールス力と何が違うの?一緒なの?と疑問に思ったことはありませんか。というか,高校化学の教科書や資料には分子間力≒ファンデルワールス力という意味合いで書かれているように感じるのは私だけではないと思います。そのあたりを明らかにしましょう。ついでに,クーロンポテンシャルとクーロン力との関係も直観的に理解してください。 

ファンデルワールス力を構成する3つの力について説明しています。その3つの力とは、配向力、誘起力、分散力です。これまで出てきた用語がほぼ全部出てくるので、復習しながら読みこなしてください。分子間力の本質の部分なのでゆっくりじっくりとどうぞ。 

高校化学では水素結合する物質として、水、フッ化水素およびアンモニアが取り上げられています。教科書や資料にもあるように水素結合が原因でなぜ沸点は異常に高くなるのか、その理由を結合エネルギーや水素結合の数、そして分子構造から説明したいと思います。そもそもよく考えると“電気陰性度の大きな原子間にH原子が介在する”のが水素結合なら、O原子、F原子およびN原子に限定して説明されるのはどうしてなのかと疑問に思ったことありませんか?そのあたりも明らかにしましょう。 

反応速度:微分方程式 

反応速度とは,「化学反応の反応物あるいは生成物に関する各成分量の時間変化率を表す物理量」とウィキペディアに書いてあります.「時間変化率」といえば,数学でいうところの「微分」でとらえることができます.今回は「1次反応」の量的関係を微分で考察してみます. 

元素の周期律:電子雲・イオン化エネルギー・電子親和力・電気陰性度

原子の体積って何だろうを理解する講義です。量子力学で登場する不確定性原理がちょっとだけ登場します。電子雲をやさしく紹介します。 

イオン化エネルギーと電子親和力についての講義です。この2つの値を周期表と関連付けて見たとき、何気に水素H原子って結構大きな値を取るんだなって、不思議に思ったことありませんか?有効核電荷や原子半径という観点からこの疑問について考えてみましょう。 

水素原子って電気陰性度の値は結構大きいんだなって思ったことありませんか。その疑問について考えてみましょう。ポーリングの電気陰性度、マリケンの電気陰性度、オールレッド・ロコウの電気陰性度なども紹介します。 

オマケとして水素“H”原子と重水素“D”原子の電気陰性度はどちらが大きいかについての講義をします。分子軌道法、ボーンオッペンハイマー近似、ハイゼンベルクの不確定性原理、揺らぎ、相対的な考え方などと、すごく難しい言葉が出てくるので、伝えきれなかったらゴメン。 

熱化学:エンタルピー・エントロピー

今回、化学分野における、直感的な理解がなかなか難しいような内容を、イメージでとらえ直感的に理 解できるようにしようという理念のもと、この講義を発信することにしました。今回は「その反応は自 然に進むのか?」というテーマについて、2 回にわたってお届けしようと思います。 

前回、“安定”と“不安定”とは何か、そしてそれらとエネルギーの関係について話をしました。今回 はまずエネルギーについて詳しく見ていきましょう。エネルギーといってもたくさんの種類があります ね。電気エネルギー、光エネルギーなどです。今回は、エンタルピー(熱的エネルギー)とエントロピー (乱雑さ)の講義をしたいと思います。

物質の状態変化と熱運動:水の蒸発・沸騰・沸点

H2Oの状態変化、「蒸発」と「沸騰」について、沸騰が起こっているときの水温の温度分布を考慮して考えてみましょう。 

水という物質は本当に不思議な物質です。水の沸点は何℃でしょうか?という質問されたらどのように答えますか。水の沸点について、“H2Oクラスター”という観点から考えてみたいと思います。 

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