理学部化学科

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物理化学II
Physical Chemistry II

担当教員 石井 淳一
必修 | 2単位 | 2年春学期

授業目的

物理化学Ⅰで学習した熱力学を基礎として平衡論について学習する。
化学変化を単純化しモデル化する能力と数値予想の素養が得られる。

授業内容

多様な化学現象を単純化する物理化学においては、内部エネルギー、エントロピー、ギブズエネルギー、化学ポテンシャルなど鍵となる言葉や概念の習得が重要である。そのため、本講義ではこれらの概念を理解するために具体的な事象を取り上げ、作図や電卓を用いた計算を通して理解を深めていく。よって、授業には関数電卓を持参すること。
No.1 1.ガイダンス(復習:閉鎖系の熱力学)
〔Ⅰ〕熱力学第一法則(エネルギー保存則)
〔Ⅱ〕熱容量
〔Ⅲ〕エントロピーの概念と熱力学第二法則(不可逆変化に対する法則)
〔Ⅳ〕ギブズ(自由)エネルギー(変化の自発的方向性)
以上4項目の物理化学Ⅰ(閉鎖系の熱力学)を復習し、開放系の熱力学へ展開する。
No.2 2.化学ポテンシャル 2-1.開放系の熱力学
・化学ポテンシャルの概念を導入し開放系の熱力学を考える。
・開放系の熱力学を理解するために必要な偏微分/全微分について復習する。
・ギブズ自由エネルギーと化学ポテンシャルの関係を整理する。
No.3 2.化学ポテンシャル 2-2.理想気体の化学ポテンシャル
・化学ポテンシャルの計算方法を理解する。
・例題-演習問題を通して理想気体の化学ポテンシャルの理解を深める。
No.4 3.一成分(純物質)系の相平衡 3-1.液体とその蒸気の平衡(飽和蒸気圧)
・飽和蒸気圧とは何か。高校化学の復習を兼ねて「蒸気圧曲線」から気液平衡を考える。
・純物質の例(アセトンやメタノールなど)を通じて飽和蒸気圧のイメージをつかむ。
・気液平衡状態を化学ポテンシャルの視点から考える。
No.5 3.一成分(純物質)系の相平衡 3-2.温度による気液平衡の変化
・気液平衡時の圧力について温度を変化させたとき、何が起こるか。平衡圧の温度依存性を考える。
・平衡圧の温度依存性をあらわすクラペイロンの式を化学ポテンシャルを利用して導出する。
・理想気体近似を適用した平衡圧の温度依存性「クラウジウス-クラペイロンの式」を導出する。
No.6 3.一成分(純物質)系の相平衡 3-3.温度による固気平衡および固液平衡の変化
・固気平衡および固液平衡時の平衡圧温度依存性を考える。
・例題-演習問題を通して平衡時の圧力と温度の計算方法を理解する。
No.7 4.多成分系の相平衡 4-1.二成分系の気液平衡とラウールの法則
・理想気体と理想溶液の違いについて理解する。
・二成分(混合溶液)になる場合、気液平衡は化学ポテンシャルを用いてどのように表されるか。
・二成分系(ベンゼンとトルエン)の気液平衡状態をラウールの法則から考える。
・例題-演習問題を通してラウールの法則を理解する。
・化学ポテンシャルとラウールの法則から二成分系の気液平衡を考える。
・二成分を混合した際のギブズ自由エネルギー変化とエントロピー変化を化学ポテンシャルから計算する。
No.8 4.多成分系の相平衡 4-2.理想溶液における圧力(平衡圧)-組成図
・ラウールの法則とモル分率の関係を整理する。
・定温条件下におけるラウールの法則を圧力(平衡圧)-組成(溶液組成,モル分率)図から考える。
・液相線と気相線とは何か。圧力-組成図から考える。
・例題(ベンゼンとトルエン混合溶液)を通して圧力-組成図の理解を深める。
No.9 4.多成分系の相平衡 4-3.理想溶液における温度-組成図
・定圧条件下における分別蒸留の仕組みを温度-組成図から考える。
No.10 5.溶液の熱力学 5-1.理想溶液と非理想溶液
・理想溶液とは何か。ラウールの法則を振り返り理解する。
・非理想溶液とは何か。二硫化炭素とアセトン混合溶液の圧力-組成図から考える。
・理想希薄溶液とは何か。ラウールの法則とヘンリーの法則、そして圧力-組成図から考える。
No.11 5.溶液の熱力学 5-2.溶液の束一的性質
・溶液の束一的性質とは何か。
・蒸気圧降下をラウールの法則から考える。
・沸点上昇/凝固点降下を化学ポテンシャルから考える。(ギブズヘルムホルツの式を予習しておく)
・浸透圧を化学ポテンシャルから考える。(マックスウェルの関係式を予習しておく)
・沸点上昇や凝固点降下を利用した計算方法を通じて、溶液の束一的性質の理解を深める。
No.12 5.溶液の熱力学 5-3.溶液の熱力学で扱う活量と活量係数
・溶液の熱力学で扱う活量係数とは何か。理想溶液と非理想溶液の違いを振り返りながら考える。
No.13 6.化学平衡 6-1.気体における化学平衡と反応進行度
・化学平衡とは何か。高校化学の平衡論から反応進行度の概念を導入し考える。

6.化学平衡 6-2.ギブズエネルギー
・反応ギブズエネルギーとは何か。化学ポテンシャルと反応進行度を用いて考える。
・標準反応ギブズエネルギーと反応比の定義について反応ギブズエネルギーから考える。

6.化学平衡 6-3.自発的変化の予測
・反応ギブズエネルギーから化学反応の自発的変化を予測する。
・例題を通じて反応ギブズエネルギーの計算方法を理解し、化学反応の自発的変化を予測する。

No.14 6.化学平衡 6-4.平衡定数
・圧平衡定数の計算方法。(標準生成エンタルピー、標準生成エントロピーを復習しておく)
・圧平衡定数の温度依存性を表すファントホッフの式とは何か。
・ルシャトリエの原理をファントホッフの式から考える。
・ファントホッフの式から求められる熱力学パラメータの計算方法。
・圧平衡定数と濃度平衡定数の違いとは何か。
No.15 学習到達度の確認

関連科目

予め学んでおくとよい科目:物理化学Ⅰ(再履修クラス) 物理化学演習Ⅰ
物理化学Ⅰの内容、および数学的知識(微積分)をよく復習しておくこと。

この科目に続く内容の科目:物理化学Ⅲ 物理化学Ⅲ(再履修クラス) 物理化学演習Ⅱ 物理化学実験 反応速度論 固体化学

教科書・参考書

教科書】
  • 教科書は指定しない。 事前配布冊子を基に授業を進める
【参考書】
  • 「エンゲル・リード物理化学(上)」(THOMAS ENGEL・PHILIP REID著、稲葉 章 訳、東京化学同人)
  • 「概説 物理化学」(阪上信次ら共著、共立出版)
  •   
  • 「演習 物理化学」(阪上信次ら共著、共立出版)

評価方法

定期試験(80%)および授業中の演習問題(20%)の解答内容で評価する。定期試験は例題や演習問題を中心に出題する。
演習問題は、次回の授業で返却し、解答例を解説もしくは模範解答を配布する。

オフィスアワー

昼休み(12:20~12:50)、木曜日2限

その他

必ず配布冊子と関数電卓を持参のこと。
履修上の注意:再履修をする学生(3・4年生)は、原則再履修クラスの授業を履修すること。

お問い合わせ先

東邦大学 理学部

〒274-8510
千葉県船橋市三山2-2-1
習志野学事部

【入試広報課】
TEL:047-472-0666

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