理学部化学科

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物理化学III
Physical Chemistry III

担当教員 菅井 俊樹
必修 | 2単位 | 2年秋学期

授業目的

原子・分子のような化学において主要な役割を果たす物質群は、量子論に従ってその振る舞いが定まっている。化学的性質の探求、未知物質の合成などを試みる上で、量子論に則った化学、量子化学の理解は必要不可欠である。この量子化学を理解するため、波動方程式に代表される量子的な取り扱い、行列式など線形代数の取り扱いに習熟し、原子軌道、分子軌道、混成軌道、振動や回転、吸収や発光といった化学において重要な現象や概念の理解を目的とする。
その結果これまで知識として覚えるしかなかった周期律や分子の構造などが、比較的少数の原理の帰結として現れてくることを理解し、説明できるようになることが学習成果である。
1. 量子化学を理解し、実際の化学現象を説明できる。2. 線形代数を活用できる。3. 原子軌道、分子軌道の形とエネルギーを計算できる。4. 分子振動や分子回転、光吸収・発光という新しい化学現象を説明できる。

授業内容

物理化学Ⅰ、Ⅱで学んだ熱力学も、基本的には古典力学の体系に含まれるが、化学で扱う原子・分子の世界を記述するには量子力学的な考え方が必須である。原子・分子のもつエネルギーは離散的であることが、古典力学的世界と大きく異なる特徴である。この講義を通じて化学結合論の基礎を学ぶ。
No.1 量子化学を学ぶ意味。化学全般への影響度。
復習:運動方程式、線形代数(行列、固有値、行列式)
No.2 量子論導入1:箱の中の粒子を波動方程式で理解する。
No.3 量子論導入2:箱の中の粒子の波動関数とエネルギー固有値を導く
No.4 量子論導入3:箱の中の粒子の存在確率を計算し、古典力学の結果と比較する。波動関数の規格直交性を導き、化学におけるその影響を知る。
化学に関連するの量子系1:化学反応でも重要な、化学結合の強さに深く関連する振動状態を計算し、計算過程における換算質量と2体問題について把握する。
No.5 化学に関連する量子系2:化学反応でも重要な、化学結合の強さに深く関連する振動状態を波動関数で表す。量子計に特有なゼロ点振動について学び古典状態との対比を行う。
化学に関連する量子系3:化学反応でも重要な、化学結合の長さに深く関連する回転状態を波動関数で表す。計算の過程で重要になる極座標表示とハミルトニアンについて学ぶ。
No.6 化学に関連する量子系3:化学反応でも重要な、化学結合の長さに深く関連する回転状態を角運動量固有値という量子数で把握することを学ぶ。化学における物質の状態を支配する量子数である。
水素状原子1:化学の基本である水素状原子のエネルギー状態、回転状態の計算をボーアモデルを用いて行う。
No.7 水素状原子2:水素状原子の状態を波動関数を用いて計算する。計算のために重要な極座標表示、ハミルトニアン、動径分布関数、角度分布関数、固有値について計算する。
No.8 水素状原子3:水素状原子について我々が良く用いている、1S,2S,2P軌道について、波動関数としての扱いを学び、それらのエネルギー縮退、直交性について学ぶ。
多電子原子1:水素状原子以外のHeなど多数の電子を持つ原子の量子状態を学ぶ。特に複数の電子間の相互作用がどのように化学に波及するかを把握する。
No.9 多電子原子2:複数の電子間の相互作用がどのように化学に波及するかをスピンとフントの規則という観点から学。周期表に現れる各元素の特性を波動関数の特性として把握する。
No.10 分子の量子化学1:水素分子イオンと水素分子を量子化学的に取り扱う。共有結合を量子化学的に理解する。
No.11 分子の量子化学2:等核および異核の二原子分子を量子化学的に取り扱い、単結合や二重結合、三重結合など結合の強さを表す、結合次数を分子軌道との関連から理解する。
No.12 分子の量子化学3:多原子分子を量子化学的に取り扱い、sp3結合など軌道混成を分子軌道との関連から理解する。
No.13 分子の量子化学4:多原子分子を効率的に量子化学的に取り扱う手法としてヒュッケル近似を学ぶ。
No.14 量子化学の応用:反応則と光との相互作用を量子化学的に理解する。
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:数学A1 数学A2 数学B1(2020年度開講せず) 数学B1 数学B2(2020年度開講せず) 数学B2 物理学Ⅰ 物理学Ⅱ 物理学実験 物理化学Ⅰ(再履修クラス) 物理化学Ⅱ 物理化学演習Ⅰ 物理化学演習Ⅱ 一般化学Ⅰ 一般化学Ⅱ
この科目に続く内容の科目:無機化学Ⅲ 量子化学 反応速度論 固体化学

教科書・参考書

 【教科書】
  • 使用しない。毎回参考資料を配布。電卓必須。

  • 【参考書】
  • アトキンス物理化学(上下)、P.W. アトキンス(著)、千原英昭、中村亘男(翻訳)、東京化学同人
  • 物理化学—分子論的アプローチ(上下)、D.A. マッカーリ、J.D. サイモン(著)、千原 秀昭、斎藤 一弥、江口 太郎 (翻訳)、東京化学同人
  • 量子化学—基礎からのアプローチ、真船文隆(著)、化学同人
  • 量子化学、原田義也(著)、裳華房
  • Physical Chemistry 2nd Edition、R.S. Berry他 (著)、Oxford

評価方法

理解の把握と学習の定着のため毎回簡単な演習問題をおこなう。毎回の演習問題50%、および期末定期試験50%の割合により評価する。演習問題の解答とよく見られた間違いについて、次の回で解説する

オフィスアワー

月~金の12:15~12:50

その他

履修上の注意: 再履修をする学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
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