October 11, 2018pcat.cat.hokudai.ac.jp/class/ms2018/20181011a_BO_Sapporo.pdf · 2018-10-11 · 毎回クイズが何問か出題されます．内容については採点しませんが

(1)─Course in Materials Science I 1

October 11, 2018

Course in Materials Science I 2

環境物質科学基礎論I（Course in Materials Science I）

化学結合・電子構造・原子軌道・分子軌道・結晶構造Chemical Bonding, Electronic Structure, Atomic Orbital, Molecular Orbital, Crystal Structure

大学院環境科学院・環境物質科学専攻開講科目2018年度後期・毎週木曜日第1校時（08:45─10:15）地球環境科学研究院D103号室＋創成科学研究棟03-311-2号室

大谷文章（おおたにぶんしょう）

001-0021 札幌市北区北21条西10丁目北海道大学・触媒科学研究所011-706-9132（ダイヤルイン）・011-706-9133（ファクシミリ）[email protected]・http://pcat.cat.hokudai.ac.jp/pcat

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授業の目標・到達目標・授業計画/purpose and goal

■ 化学は「物質における電子の科学」といってもよいほど物質における電子の挙動は本質的で重要である．本講義では原子中の電子の状態から出発して，いろいろな化学結合を紹介し，それらの結合と物質の構造との関係について学ぶ．Understanding of basic principles of chemical bonding

■物質の基本となる原子・分子および結晶の構造とその性質について，元素・原子の電子構造と化学結合の観点から理解する．From the standpoint of electronic structure of atoms and chemicalbondings, the students will get an understanding on structure ofatoms, molecules and crystals.

■ ボーアの原子模型と水素の発光スペクトル/s，p，d，fなどの原子軌道と元素の周期律/σ結合とπ結合，混成軌道と分子の形，共鳴構造と共役二重結合/光の吸収と分子軌道，物質の色/固体の構造：結晶の構造と化学結合This lecture is focused on basic principles of chemical bonding.


講義のすすめ方（1）/procedure (1)

■ この講義に出席するだけでは，試験に合格することはできません．復習と発展的な学習が必要です．Only attending these lectures does not lead to pass the examination.Reviewing (brushing up) is necessary.

■ 教科書はありません．これまで使ってきた教科書（物理化学）をつかってください．物理化学の教科書をもっていない人はじぶんで選んで入手してください．Use a textbook of your own. If you don't have, choose and buy by yourself.

■ 教科書にはいろいろなレベルのものがあります．Level of textbooks・高等学校での化学から出発するものstarting from high-school level・教養課程の基礎化学のもの（一般化学/化学入門など）starting from college-beginner level・化学系学部の専門課程のものcollege level


講義のすすめ方（2）/procedure (2)

■ 毎回クイズが何問か出題されます．内容については採点しませんが，かならず何か書いてください．今後の講義の参考にします．ご協力をお願いします．Answer questions during class. This is just for checking yourunderstanding, but not for evaluation.

■ クイズについての説明をきいた後では，書き足したり，書き直したりしないでください（採点しませんので影響ありません）．必要であれば自分のノートに書いてください．Do not revise or add to your answer afterword. If necessary, write thecorrect answer on you notebook.

■ わたしが担当するほかの講義とはちがい，この講義はテストだけが評価基準です．講義のスライドはウェブ上で公開しますが，それについてレポートを送っても何も起こりません．また，講義のスライドに書いてあることだけが試験に出題されるわけではありません．Evaluation will be made only by the results of test(s).

■ 質問は「感想と意見」のなかに書いてください．If you have question(s), send it (them) in an email.


講義日程/schedule1 Oct 11, 2018 Thu 08:45-10:15 D103 guidance/check test/introduction

2 Oct 18, 2018 Thu 08:45-10:15 D103 wave function/Schroedinger equation

3 Oct 18, 2018 Thu 16:30-18:00 Sosei Hall atomic orbitals and quantum numbers

4 Oct 25, 2018 Thu 08:45-10:15 D103 s, p and d orbitals/monoelectron atom

5 Oct 25, 2018 Thu 13:00-14:30 Sosei Hall multielectron atoms/shielding

6 Oct 25, 2018 Thu 14:45-16:15 Sosei Hall chemical bonds (1)

Nov 1, 2018 Thu [no class]

7 Nov 8, 2018 Thu 09:15-10:15 D103 (interim test 1)

Nov 15, 2018 Thu [no class]

8 Nov 22, 2018 Thu 13:00-14:30 Sosei Hall chemical bonds (2)

9 Nov 22, 2018 Thu 14:45-16:15 Sosei Hall bond ionicity and hybrid orbitals

10 Nov 29, 2018 Thu 08:45-10:15 D103 hybrid orbitals

11 Dec 6, 2018 Thu 08:45-10:15 D103 metal complexes (1)

12 Dec 13, 2018 Thu 08:45-10:15 D103 metal complexes (2)

13 Dec 20, 2018 Thu 09:15-10:15 D103 (interim test 2)

Dec 27, 2018 Thu [no class]

14 Jan 10, 2019 Thu 08:45-10:15 D103 summary

15 Jan 17, 2019 Thu 08:45-10:15 D103 final test


チェックテスト（40分）/check test (40 min)１：塩素の原子量35.45の小数点以下の数字はどのように説明できますか．

Explain the meaning of figures (numbers) after decimal point of atomicweight of chlorine, 35.45.

２： 2He：1s2にならって，22Tiの電子配置をかいてください．Show the electronic structure of 22Ti as for 2He: 1s2.

３：酸素（8O2）が磁性をしめす理由を説明してください．Explain why oxygen molecule shows magnetic property.

４：5種類のd軌道のかたちをかき，名称（たとえば「dxy」）をしめしてください．Show 5 kinds of d-orbital with their names, e.g., dxy.

５：エチレン（CH2＝CH2）の炭素－炭素間の結合を図示してください．Show the bonding between carbons in ethylene (CH2=CH2).

６：遷移金属錯体を水に溶かすと鮮やかな色をしめすものが多くあります．これはなぜですか．Explain why transition-metal complexes often show brilliant color.

７：ボルツマン分布について説明してください．Explain the Boltzmann's distribution.

８：ケトンの赤外線吸収（IR）スペクトルでは1700～1750 cm-1付近に吸収ピークが観測されます．これは何によるものですか．In infrared (IR) spectra of ketones, an absorption peak at 1700-1750 cm-1 isobserved. Why does the peak appear?


原子として存在するもの/single atom

Ｑ原子の構造をしめしなさいShow the structure of atoms.

陽子や中性子からなる正の電荷をもつ原子核とその外側にある電子から原子は構成されている．電子と比べて原子核の重さは圧倒的に大きいので─ということは重い粒子が非常に高い密度で詰まっている─原子の重さはほぼ原子核だけを考えればいいことになります。それでは体積はというと、原子核の占める割合は非常に小さいことがわかっています。Atoms are composed of nuclei with protons and neutrons (and the other particles) of positive charge and electrons of negative charge surrounding them. The mass of nucleus is much larger than that of electrons, but the proportion of volume of nucleus is much smaller than that of atom.


原子核と電子/nuclei and electrons

Ｑ原子核のまわりに電子が離れずに存在する理由を説明してください。Explain why electrons do not escape from nuclei.

原子核の正電荷と電子の負電荷のあいだの静電引力Electrostatic interaction between positive nuclei and negative electrons.


静電相互作用/electrostatic interaction

Ｑ正電荷（q）と負電荷（-q）が距離r 離れているときの静電引力の大きさ（F）をあらわす式をしめしなさい．ただし，真空の誘電率をe0とするShow an equation of electrostatic interaction between a negative charge (q) and a positive charge (-q) in a distance of r using e0 as a dielectric constant in vacuum.

221

041

rqqF

πε=


原子と原子の結合/chemical bond

Ｑ原子と原子が結合し，分子や結晶をつくるのはなぜでしょうか．理由を説明してください．Explain why atoms are bound with each other to be molecules or crystals.

簡単にいえば，クーロンの法則による．．．電荷をもつ粒子間の相互作用の大きさは，電荷量に比例し，距離の2乗に反比例する．したがって，異種電荷が近くにある方が安定．原子核と原子核のあいだに電子があると，反発する同電荷の原子核2つより安定になる．Most simply, the reason is electrostatic force between negative andpositive charges of electrons and atomic nuclei.

221

041

rqqF

πε=


原子核と電子/nuclei and electrons

Ｑ電子が原子核と衝突しない理由を説明してください。Explain why electrons do not collide with a nuclei.

静電相互作用だけでは説明できない．量子力学的要請による．Electrostatic interaction cannot explain the reason. The reason is interpreted by quantum mechanics.


量子論/quantum theory

量子論は、いろいろなことをすべて電子のしわざにする理論です。つまり、電子の挙動を考えます。そのため、

「原子の構造を知る」

＝「電子の挙動（どんなエネルギーを持つか）」

ということになります。なお、だいじなことは、「電子や原子が存在する」ということとは違って、あくまで仮説であるということです。今のところ、すべてのことを矛盾なく説明できるから、みんな使っているということです。ただし、そうではないということを言うのはかなり難しいことと想像できます．

Quantum theory attributes all the things to behavior of electrons,considering that nucleus behaves only as a point positive charge.Therefore, only energy and spatial distribution of electrons areconsidered. It should be reminded that quantum theory is justconsistent with the experimental results as far as we know.


量子論/quantum theory

量子論のだいじなところは、

「なぜ電子のもつエネルギーが連続ではなく、とびとびなのか」

ということを「波動」という概念を使って説明しようとすることにあります。逆にいうと、電子は質量をもつ粒子でありながら、同時に波動でもあるという何とも納得しにくいことを両立させることを考えています。何で電子は波のように振る舞うのか、はうまく説明できません。

The most important point in quantum theory is to explain the reasonwhy the energy levels of electrons are not continuous, i.e., discrete, byassuming that electrons behave as both particles and waves at thesame time.


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Bunsho OHTANI

quanta

This is the first time to learn quantum chemistry in such a way.

Why does the professor want to have lecture in such a way?

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