20100527b BO Sapporo - 北海道大学...2010/05/27 「クイズで学ぶ化学と科学」第4回 1 一般教育演習クイズで学ぶ化学と科学 2010年度第1学期・木曜日第5校時（1630-1800）

2010/05/272010/05/27──「クイズで学ぶ化学と科学」「クイズで学ぶ化学と科学」第第44回回 11

一般教育演習一般教育演習

クイズで学ぶ化学と科学クイズで学ぶ化学と科学

2010年度第1学期・木曜日第5校時（1630-1800）

高等教育機能開発総合センター E215

大谷文章（おおたにぶんしょう）触媒化学研究センター・教授

環境科学院環境物質科学専攻・教授（兼担）

北キャンパス創成科学研究棟03-311-2号室

■ 先端の化学（金曜5/5月7日）

■ 触媒化学のフロンティア（火曜5/6月1日）


授業の目標・到達目標授業の目標・到達目標

■■各回数題出題されるクイズに答えることによって「化学と科学各回数題出題されるクイズに答えることによって「化学と科学とはなにか」を学ぶ．とはなにか」を学ぶ．答えの内容は「何か書かれているかぎり」答えの内容は「何か書かれているかぎり」評価しない．評価しない．《《毎回数題のクイズ毎回数題のクイズ//質問質問》》

■■受講者は，「化学と科学を理解するのに役に立つクイズ」を作受講者は，「化学と科学を理解するのに役に立つクイズ」を作成・発表して受講者どうしのディスカッションを行う．成・発表して受講者どうしのディスカッションを行う．《《最後の最後の11～～22回回》》

■■各講義の最後に提出各講義の最後に提出すする「感想と意見」はる「感想と意見」は（ニックネームつき（ニックネームつきで）で）公開とし，次回に講評と討論を行う．公開とし，次回に講評と討論を行う．受講者はニックネー受講者はニックネームを設定する．ムを設定する．担当者に対する最低担当者に対する最低11つの質問を含めること．つの質問を含めること．次回に質問と答えのそれぞれについて投票してランキング次回に質問と答えのそれぞれについて投票してランキング《《毎毎回回》》

■■科学的な視点と方法の基礎を身につける科学的な視点と方法の基礎を身につける


おぼえておいてほしいことおぼえておいてほしいこと

■■ 知識はえられません知識はえられません：：化学そのものは教えませんので，知識化学そのものは教えませんので，知識

をえることを期待しないでください．をえることを期待しないでください．

■■ じぶんで考えるじぶんで考える：：じぶんで考えるためのヒントをしめしますじぶんで考えるためのヒントをしめします

■■ 柔軟な考えを柔軟な考えを：：これまでの感想を見ると「考え方，ものの見これまでの感想を見ると「考え方，ものの見

方が変わった」というものがほとんどです．変わる（変える）こ方が変わった」というものがほとんどです．変わる（変える）こ

とに対しての柔軟性が必要です．とに対しての柔軟性が必要です．


Ｑ：Ｑ：前回の質問前回の質問//回答に投票してください回答に投票してください

■■配布した「感想配布した「感想//質問と回答」をみて質問と回答」をみて

いいと思った質問いいと思った質問

いいと思った回答いいと思った回答

をそれぞれニックネームで投票してください．集計結果は次回をそれぞれニックネームで投票してください．集計結果は次回に発表します．に発表します．


同定：同定：物質の構造の決定物質の構造の決定

ＱＱ

どうやったら生成物を決定できますかどうやったら生成物を決定できますか

■■ある化学物質を合成したことを証明するにはどうしたらよいかある化学物質を合成したことを証明するにはどうしたらよいか

■■ある化学物質の純度が（ほぼ）ある化学物質の純度が（ほぼ）100%100%であることをしめすにはどであることをしめすにはどうしたらよいかうしたらよいか

■■標品（純品）の構造はどうやってきめるのか標品（純品）の構造はどうやってきめるのか


必要条件と十分条件必要条件と十分条件

■■ ある物質の構造を特定するある物質の構造を特定する十分条件十分条件はなく，あるのははなく，あるのは必要条必要条

件件だけ（いくつ必要条件があるのか不明）．だけ（いくつ必要条件があるのか不明）．

■■ 「もしこの物質が目的物質なら」「もしこの物質が目的物質なら」

・実験結果・実験結果AAが得られるはず・・・得られたが得られるはず・・・得られた例：例：NMRNMR

・実験結果・実験結果BBが得られるはず・・・得られたが得られるはず・・・得られた例：分子量例：分子量

・実験結果・実験結果CCが得られるはず・・・得られたが得られるはず・・・得られた例：赤外吸収例：赤外吸収

・実験結果・実験結果DDが得られるはず・・・得られたが得られるはず・・・得られた例：元素分析例：元素分析

．．．．．．だから（経験的に）だから（経験的に）

「この物質は目的物質である可能性がきわめて高い」「この物質は目的物質である可能性がきわめて高い」

必要条件

十分条件《真理》

AA

BB

CCDD

EE


研究者として必要なこと研究者として必要なこと

研究環境・研究施設などがあるとして研究環境・研究施設などがあるとして．．．．．．

■■基礎的な知識・基礎な技術基礎的な知識・基礎な技術

・・

・・

・・

■■ コミュニケーション能力（コミュニケーション能力（××外国語［英語］能力）外国語［英語］能力）

■■ （やれない理由をさがすより）やってみること（やれない理由をさがすより）やってみること

■■ なんでも疑うこころ＝謙虚さなんでも疑うこころ＝謙虚さ

■■ ・・・・・・・・・・


題材題材

■■ モル－どうやってアボガドロ数を計測するのかモル－どうやってアボガドロ数を計測するのか

■■ 燃料電池－報道と科学論文，解説：科学表現とは何か燃料電池－報道と科学論文，解説：科学表現とは何か

■■ 電子レンジ－インターネット上の情報と科学電子レンジ－インターネット上の情報と科学

■■ ダイオキシン－報道と科学ダイオキシン－報道と科学

■■ 物質とはなにか物質とはなにか//環境とはなにか環境とはなにか//科学の視点科学の視点

■■ 物質の同定－科学的な方法とはなにか物質の同定－科学的な方法とはなにか

■■ エベレスト登頂－科学的な方法とはなにかエベレスト登頂－科学的な方法とはなにか

■■ 科学の三冠王－科学者はなにをめざすのか科学の三冠王－科学者はなにをめざすのか

■■ 電車の混雑－科学におけるオリジナリティ電車の混雑－科学におけるオリジナリティ

■■ ダイエットチラシ－データの捏造と粉飾：科学倫理ダイエットチラシ－データの捏造と粉飾：科学倫理

■■ キラリティ－化学におけるかたちと対称性キラリティ－化学におけるかたちと対称性

■■ 光化学反応－環境と物質とエネルギー光化学反応－環境と物質とエネルギー

■■ リサイクル－環境と物質とエネルギーリサイクル－環境と物質とエネルギー

■■ 血液型性格判断と星占い血液型性格判断と星占い

2010/05/272010/05/27──「クイズで学ぶ化学と科学」「クイズで学ぶ化学と科学」第第44回回 99電子レンジ001

日立・http://kadenfan.hitachi.co.jp/range/lineup/sx1.html東芝・http://www.toshiba.co.jp/webcata/range/er_a2.htm

日立・http://kadenfan.hitachi.co.jp/range/lineup/sx1.html東芝・http://www.toshiba.co.jp/webcata/range/er_a2.htm

電子レンジ電子レンジ

ＱＱ

電子レンジ電子レンジで食品が温まるで食品が温まるのはなぜですかのはなぜですか

国内統計（国内統計（20012001年）家電流通データ総覧年）家電流通データ総覧［［http://www.kadenhttp://www.kaden--pc.compc.com//］］

世帯普及率：世帯普及率：

世帯保有台数：世帯保有台数：

95.7%95.7%

1.0161.016


主要耐久消費財の世帯普及率の推移主要耐久消費財の世帯普及率の推移

19971997年で年で90%90%超・超・20092009年でほぼ年でほぼ99%99%


英語の問題英語の問題

ＱＱ電子レンジ電子レンジのの英語英語はは何何


摩擦熱摩擦熱??

日本電機工業会ウェブページよりhttp://www.jema-net.or.jp/Japanese/kaden/renji/renji-index.htm

日本電機工業会ウェブページよりhttp://www.jema-net.or.jp/Japanese/kaden/renji/renji-index.htm

インターネットで見る「電子レンジのしくみ」インターネットで見る「電子レンジのしくみ」(1)(1)


■電子レンジのしくみ■■電子レンジのしくみ■図１に電子レンジの構造を示します。図１に電子レンジの構造を示します。通常使用状態では電子レンジの電波は，通常使用状態では電子レンジの電波は，(1) (1) マグネトロンマグネトロンのの(2) (2) アンテナから電波が発振されアンテナから電波が発振され(3) (3) 導波管を経由して導波管を経由して(4) (4) オーブンにはいり直接あるいはオーブンにはいり直接あるいは反射を繰り返しながら大半の電波は反射を繰り返しながら大半の電波は(5) (5) 食品（水分）に食品（水分）に吸収され食品が加熱されます吸収され食品が加熱されます。（厳密に。（厳密には食品を加熱したときでも一部は反射波がマグネトロンのアンテナに戻ってきて若干の温度上昇は食品を加熱したときでも一部は反射波がマグネトロンのアンテナに戻ってきて若干の温度上昇が発生していますが）食品をいれずに加熱したり、金属容器を使用すると反射波が多く発生し、が発生していますが）食品をいれずに加熱したり、金属容器を使用すると反射波が多く発生し、上記のような故障の原因となります。（情報はシャープより提供）上記のような故障の原因となります。（情報はシャープより提供）

「化学への質問ありまへんか」ウェブページよりhttp://www.chemistryquestion.com/index.htm



「電気の科学館」ウェブページよりhttp://www.chuden.co.jp/e-museum/denkiarekore/knowledge/trip/housing/renzi.html

電子レンジは、マグネトロンという装置で発生させた高周波の電波（マイクロ波：2,450MHz）を使い食品を加熱します。このマイクロ波を食品に当てると、水分を中心にして食品全体でマイクロ波が熱マイクロ波が熱に変わりに変わり加熱します。食器等は電波（マイクロ波）を吸収しないので、加熱されず食品のみ加熱されます。また食品の内部まで均一に加熱されるので、オーブンのように表面だけが焦げて中まで火が通らないということがありません。



まず、「マグネトロン」というまず、「マグネトロン」という部分の先端から発生され部分の先端から発生される高周波の電波によってる高周波の電波によって食品に含まれている食品に含まれている水の水の分子などを振動させ、まさ分子などを振動させ、まさつ熱を生じさせますつ熱を生じさせます。その。そのまさつ熱が広がって食品全まさつ熱が広がって食品全体をあたためる、体をあたためる、っっというというのが電子レンジの仕組みのが電子レンジの仕組みです。また、食器等は電波です。また、食器等は電波（マイクロ波）を吸収しない（マイクロ波）を吸収しないので、加熱されず食品のみので、加熱されず食品のみ加熱されます。加熱されます。


「Electrical Appliances Around Us」ウェブページよりhttp://contest.thinkquest.jp/tqj2002/50504/Rsikumi2.htm


水分子を振動させ温める水分子を振動させ温める

魔法のようですが原理は簡単です。水はごく小さ魔法のようですが原理は簡単です。水はごく小さな分子という粒からできています。な分子という粒からできています。この粒を振動さこの粒を振動させて熱を発生させ温めているせて熱を発生させ温めているのです。昔、子供たちのです。昔、子供たちが冬に暖を取るために遊んだ「おしくらまんじゅう」が冬に暖を取るために遊んだ「おしくらまんじゅう」と似ています。電子レンジでは分子を振動させるたと似ています。電子レンジでは分子を振動させるためにマイクロ波という電波を照射します。めにマイクロ波という電波を照射します。

「禎子のハイテクライフ」ウェブページよりhttp://www.topics.or.jp/rensai/sadako/2000/page13.html

「禎子のハイテクライフ」ウェブページよりhttp://www.topics.or.jp/rensai/sadako/2000/page13.html


電子レンジの正体は「マイクロ波発生装置」なのです。電波を当てて振動を起こしますので、電波を反射するものは温めることができません。コップだけを温めようと思っても電子レンジでは無理なのです。水のように電波を吸収するものでなければ温まらないのです。一般に食べ物が温まるのは水分を含んでいるからなのです。


「電気の不思議」ウェブページよりhttp://www.iee.or.jp/emf/renji2.htm

「電気の不思議」ウェブページよりhttp://www.iee.or.jp/emf/renji2.htm


「マイクロ波（は）があたって、「マイクロ波（は）があたって、水の分子（みずのぶんし）が振動（し水の分子（みずのぶんし）が振動（しんどう）するんどう）すると、お互い（おたがい）にぶつかったり、こすれたりすと、お互い（おたがい）にぶつかったり、こすれたりするよね？」るよね？」

「そのとき「そのときまさつがおきるから熱（あつ）くなるまさつがおきるから熱（あつ）くなるのよ。」のよ。」



ＱＱ電子レンジは英語で何電子レンジは英語で何??

ＱＱ「チンする」の英語は何「チンする」の英語は何??



ＱＱ電子レンジは英語で何電子レンジは英語で何??

ＱＱ「チンする」の英語は何「チンする」の英語は何??

•• Microwave ovenMicrowave oven

•• Nuke/Micro: "Nuke it."Nuke/Micro: "Nuke it."


励起状態励起状態

●光化学反応は，●光化学反応は，

励起状態励起状態

を経由して進行する．励起状態にもいろいろある．を経由して進行する．励起状態にもいろいろある．

(1) (1) 電子励起：電子励起：光合成や光触媒反応光合成や光触媒反応【【紫外光・可視光紫外光・可視光】】

(2) (2) 振動励起：振動励起：ひなたの水ひなたの水【【赤外光赤外光】】

(3) (3) 回転励起：回転励起：電子レンジ（電子レンジでは「電子」は飛んでま電子レンジ（電子レンジでは「電子」は飛んでません）せん）【【マイクロ波マイクロ波】】

励起状態をつくるのが励起状態をつくるのが．．．．．．光光（電磁波）（電磁波）


電磁波とは？電磁波とは？

ＱＱ光は電磁波：光は電磁波：つぎのうちで電磁波はどれ？つぎのうちで電磁波はどれ？

アルファ線・ベータ線・ガンマ線・エックス線・紫外線・可視線・赤外線・アルファ線・ベータ線・ガンマ線・エックス線・紫外線・可視線・赤外線・

マイクロ波・電波（ラジオ波）・電子線マイクロ波・電波（ラジオ波）・電子線

振動方向は互いに直交

波長

電場の振動

磁場の振動

光の進行方向


電磁波とは？電磁波とは？

ＱＱ光は電磁波：光は電磁波：つぎのうちで電磁波はどれ？つぎのうちで電磁波はどれ？

アルファ線・ベータ線・ガンマ線・エックス線・紫外線・可視線・赤外線・アルファ線・ベータ線・ガンマ線・エックス線・紫外線・可視線・赤外線・

マイクロ波・電波（ラジオ波）・電子線マイクロ波・電波（ラジオ波）・電子線

振動方向は互いに直交

波長

電場の振動

磁場の振動

光の進行方向


光の波と粒光の波と粒

光は波と同時に粒子である（光子：光は波と同時に粒子である（光子：photonphoton）：質量はない）：質量はない

電子は粒子であると同時に波である：質量がある電子は粒子であると同時に波である：質量がある


Ｑ：Ｑ：光の速度は？光の速度は？

■■波長が短いほどエネル波長が短いほどエネルギーが大きいギーが大きい

■■真空中での電磁波の進真空中での電磁波の進行速度は波長によらず行速度は波長によらず一定一定

■■一定時間あたりの振動一定時間あたりの振動数＝周波数・数＝周波数・11秒あたり秒あたりの振動数：ヘルツ（の振動数：ヘルツ（HzHz））

■■波長波長××振動数＝光速振動数＝光速

光速光速//波長＝周波数波長＝周波数


Ｑ：Ｑ：光の速度は？光の速度は？

■■波長が短いほどエネル波長が短いほどエネルギーが大きいギーが大きい

■■真空中での電磁波の進真空中での電磁波の進行速度は波長によらず行速度は波長によらず一定一定

（（毎秒約毎秒約3030万キロメートル万キロメートル））

■■一定時間あたりの振動一定時間あたりの振動数＝周波数・数＝周波数・11秒あたり秒あたりの振動数：ヘルツ（の振動数：ヘルツ（HzHz））

■■波長波長××振動数＝光速振動数＝光速

光速光速//波長＝周波数波長＝周波数


光のもつエネルギー光のもつエネルギー

小さな弾丸と大きな弾丸の破壊力とエネルギー小さな弾丸と大きな弾丸の破壊力とエネルギー

合計のエネルギーが同じでも破壊のしかたが異なる合計のエネルギーが同じでも破壊のしかたが異なる


Ｑ：葉が緑に見えるのはなぜＱ：葉が緑に見えるのはなぜ??

光と物質のかかわり光と物質のかかわり

光の三原色：白から青をとりのぞくと黄色になる（補色）光の三原色：白から青をとりのぞくと黄色になる（補色）


Ｑ：葉が緑に見えるのはなぜＱ：葉が緑に見えるのはなぜ??

光と物質のかかわり光と物質のかかわり

光の三原色：白から青をとりのぞくと黄色になる（補色）光の三原色：白から青をとりのぞくと黄色になる（補色）

樹木の葉が緑に見えるのは：樹木の葉が緑に見えるのは：

太陽の光があらゆる波長の可視光を含んでいる（白色光）太陽の光があらゆる波長の可視光を含んでいる（白色光）

葉の中の物質である葉緑素（クロロフィル）が赤と青（紫）の光を吸収葉の中の物質である葉緑素（クロロフィル）が赤と青（紫）の光を吸収

残った青と黄の光が反射して緑色に見える残った青と黄の光が反射して緑色に見える


光と影光と影

紫と黄と黒の影紫と黄と黒の影

20062006年年22月層雲峡氷瀑まつりにて月層雲峡氷瀑まつりにて


光と影光と影

紫と黄と黒の影紫と黄と黒の影

V+YV+Y=W=W

WW--VV=Y=YWW--YY

=V=V

WW--VV--YY=B=B

20062006年年22月層雲峡氷瀑まつりにて月層雲峡氷瀑まつりにて


クロロフィルの電子スペクトルクロロフィルの電子スペクトル

■■ 電子（吸収）スペクトル（電子（吸収）スペクトル（electronic absorption spectrumelectronic absorption spectrum））

UVUV--VisVis（「（「ゆゆーーぶいびすぶいびす」と呼ぶ人が増えてきた）」と呼ぶ人が増えてきた）：横軸が波長：横軸が波長

■■ ヒント：ヒント：赤と青の光の波長はそれぞれ約赤と青の光の波長はそれぞれ約650 nm650 nmと約と約450 nm450 nm


光と物質の相互作用：エネルギーのやりとり光と物質の相互作用：エネルギーのやりとり

・・電子電子//振動振動//回転エネルギーは量子化されている（とびとびの値）回転エネルギーは量子化されている（とびとびの値）

・・エネルギー状態（準位）の差が「エネルギーギャップ」エネルギー状態（準位）の差が「エネルギーギャップ」

・・エネルギーギャップに等しいエネルギーをもつ光だけが吸収されるエネルギーギャップに等しいエネルギーをもつ光だけが吸収される

・・吸収されて高いエネルギー状態になることを吸収されて高いエネルギー状態になることを励起励起というという

・・励起されると，励起されると，何かにエネルギーをあたえて何かにエネルギーをあたえて，もとの状態にもどろうとする，もとの状態にもどろうとする（緩和）（緩和）


電子エネルギー電子エネルギー

物質の基本単位は原子：物質の基本単位は原子：原子核と電子原子核と電子

正電荷をもつ原子核と負電荷をもつ電子が引きつけあう正電荷をもつ原子核と負電荷をもつ電子が引きつけあう

電子は波としての性質をもつ電子は波としての性質をもつ

両方を満足させるのが量子力学両方を満足させるのが量子力学

電子のエネルギーは量子化されている：電子のエネルギーは量子化されている：とびとびとびとび


振動エネルギー振動エネルギー

分子は原子が結びついてできている分子は原子が結びついてできている

原子が結合するとは，電子が両方の原子核の間に入って相互作用する原子が結合するとは，電子が両方の原子核の間に入って相互作用する

バネによって原子核が結びついていると考えることができるバネによって原子核が結びついていると考えることができる


回転エネルギー・並進エネルギー回転エネルギー・並進エネルギー

■回転エネルギー（振動エネルギーより小さい）■回転エネルギー（振動エネルギーより小さい）

分子が回転（双極子モーメントの変化がある場合）分子が回転（双極子モーメントの変化がある場合）

電子レンジのしくみに関連する電子レンジのしくみに関連する

量子化されている量子化されている

■並進エネルギー■並進エネルギー

分子自身が運動する分子自身が運動する

エネルギー：エネルギー：量子化量子化

されていないされていない


励起と光吸収スペクトル励起と光吸収スペクトル

電子励起：電子励起：振動や回転の状態のためのエネルギーに幅がある振動や回転の状態のためのエネルギーに幅がある

スペクトルが幅をもつ（ブロードになる）スペクトルが幅をもつ（ブロードになる）


電子レンジ：水分子の回転励起と緩和電子レンジ：水分子の回転励起と緩和

■マグネトロン（発振器）から出るマイクロ波■マグネトロン（発振器）から出るマイクロ波

周波数周波数2.45 GHz2.45 GHz・波長・波長12 cm12 cm

■■水分子が回転励起（水分子が回転励起（もともと回転しているもともと回転している））

水分子が回転していない氷ではマイクロ波は吸収されない水分子が回転していない氷ではマイクロ波は吸収されない

■緩和：分子の並進エネルギー（熱）に変換される■緩和：分子の並進エネルギー（熱）に変換される

電磁波のエネルギー電磁波のエネルギー →→ 水分子の回転励起水分子の回転励起 →→ 並進エネル並進エネル

ギーギー


インターネット検索インターネット検索

■■ Ｇｏｏｇｌｅ（グーグル）の場合Ｇｏｏｇｌｅ（グーグル）の場合

・スペース（半角・スペース（半角//全角）でくぎると全角）でくぎると『『ANDAND』』検索検索

・単語を切りたくないときは，「・単語を切りたくないときは，「""」（半角の引用符）で囲む：」（半角の引用符）で囲む：「大谷文章」と「「大谷文章」と「""大谷文章大谷文章""」では結果が異なることがある」では結果が異なることがある

・単語の前に「・単語の前に「--」（半角のハイフン）をつけると，」（半角のハイフン）をつけると，『『NOTNOT』』の意味になる：の意味になる：「大「大谷谷 --北大」だと，「大谷」は入っているが，「北大」が北大」だと，「大谷」は入っているが，「北大」がないものないもの


今後の計画今後の計画

66月月33日日《《大学祭のため休講大学祭のため休講》》

66月月1010日日《《海外出張のため休講（海外出張のため休講（11））》》


66月月2424日日第第55回回







・・・・・・


ＱＱあなたのニックネームは何あなたのニックネームは何ですかですか

ＱＱ質問は何ですか（すくなくとも質問は何ですか（すくなくとも11つ）つ）

ＱＱ今回の講義の感想・意見今回の講義の感想・意見

66月月2424日（木）：日（木）：講義開始時にレポート提出講義開始時にレポート提出

レポート課題：レポート課題：（（11）インターネットにある「電子レンジのしくみ（仕組み）」）インターネットにある「電子レンジのしくみ（仕組み）」に関する情報を集めて，に関する情報を集めて，33～～44のサイトについて，その内容の問題点をまのサイトについて，その内容の問題点をまとめてください．とめてください．URLURLを明記してください．（を明記してください．（22）化学と科学を理解するのに）化学と科学を理解するのに役に立つクイズ（練習）役に立つクイズ（練習）

講義のウェブページ講義のウェブページ

http://www.hucc.hokudai.ac.jp/~k15391/http://www.hucc.hokudai.ac.jp/~k15391/

[email protected]/[email protected]/011--706706--91329132

質問質問．．．．．．

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