化学２

13CHBAC102

Chemistry 2

化学２

宮村　一夫

Kazuo MIYAMURA

2022年度後期

2022 Second semester

水曜5限

Wednesday 5th period

理学部第一部　化学科
Faculty of Science Division I, Department of Chemistry

-

2.0単位

ハイフレックス型授業/Hybrid-Flexible format

化学結合論の入門編。原子や分子の世界では、それを構成する原子核や電子の振る舞いがマクロの世界とは大きく異なっている。このような極微の世界を扱うための量子力学について、光の波動性・粒子性、電子の粒子性・波動性、波について平易に解説した後、原子模型・前期量子論、シュレーディンガー方程式、水素型原子軌道と量子数について説明する。
次に多電子原子と周期表の成り立ち、オクテット則の意味を説明する。化学結合論は、オクテット則を出発にルイスの概念から局在化結合近似（混成軌道、原子価殻電子対反撥）へと進み、共有結合の概念について説明する。
この授業は化学分野のキャリアを目指す学生にとって必須の内容です。
Introduction to chemical bonding theory. In the world of atoms and molecules, the behavior of the nuclei and electrons that compose it is very different from the macro world. About quantum mechanics to deal with such a microscopic world, we explain the wave nature and particle nature of light, the particle nature and wave nature of electrons, and waves in a simple manner. Type atomic orbitals and quantum numbers will be described.
Next, the meaning of the octet rule and the formation of the multi-electron atoms and the periodic table will be described. Chemical bonding theory proceeds from the concept of Lewis to the localized bond approximation (hybrid orbit, valence shell electron pair repulsion) starting from the octet rule, and explains the concept of covalent bond.
This lesson is essential for students seeking a career in chemistry.

化学結合論の基礎である量子化学について、理解することを目的とする。
The purpose of this study is to understand quantum chemistry, which is the basis of chemical bonding theory.

量子化学の基礎を説明できるようになるとともに、量子化学を応用して周期表の構成原理や化学結合の本質を説明できるようになることを目標とする。
The goal is to be able to explain the basics of quantum chemistry and to explain the principles of the periodic table and the nature of chemical bonds by applying quantum chemistry.

高校程度の化学および物理を理解していること。その他の注意事項はホームページに掲載する。
Understand high school chemistry and physics. Other notices will be posted on the website.
http://www.rs.kagu.tus.ac.jp/miyamura/kougi.html

-

-

-

-

-

〇

-

授業時に配布するプリントに目を賭しておくこと。
特に、電子の実体である波動関数の具体的なイメージをつかめるかどうかが、講義内容を理解できるかどうかのカギを握ります。各人がとことん突き詰めて考えることが必要です。
Keep an eye on the prints distributed during class.
In particular, the ability to grasp the specific image of the wave function, which is the substance of electrons, is the key to understanding the contents of the lecture. It is necessary for each person to think thoroughly.

定期試験のほか、宿題の提出状況をみて判断する。
In addition to the regular examination, judge the status of homework submission.

・S：到達目標を十分に達成し、極めて優秀な成果を収めている
・A：到達目標を十分に達成している
・B：到達目標を達成している
・C：到達目標を最低限達成している
・D：到達目標を達成していない
・-：学修成果の評価を判断する要件を欠格している

・S：Achieved outcomes, excellent result
・A：Achieved outcomes, good result
・B：Achieved outcomes
・C：Minimally achieved outcomes
・D：Did not achieve outcomes
・-：Failed to meet even the minimal requirements for evaluation

Y

・教科書を使用する場合は、MyKiTS(教科書販売サイト)から検索・購入可能ですので以下のURLにアクセスしてください。
https://gomykits.kinokuniya.co.jp/tokyorika/
　
・Search and purchase the necessary textbooks from MyKiTS (textbook sales site) with the link below.
https://gomykits.kinokuniya.co.jp/tokyorika/

Y

「ゼロから学ぶ元素の世界」宮村一夫（講談社サイエンティフィク）
Textbook given above (Japanese)

1 　　総論
化学の基本である物質内の電子の状態と物質の性質の関係を概説し、量子論の重要性を認識させる
　・物質の構造と物質の捉え方
　・原子、イオン、分子、結晶
2 　　周期表
化学の基礎である周期表について解説し、その内容を理解させる
　・原子と元素
　・原子番号、質量数、同位体
　・周期律と周期表の構成原理
3 　　イオン
原子の中の電子のエネルギーとイオン化エネルギーなどとの関係を理解させる
　・エネルギー準位
　・イオン化エネルギーと電子親和力
　・電気陰性度
4 　　量子力学への道
化学の主役である電子の性質について解説し、量子とは何か理解させる
　・波動性と粒子性
　・光と電子
　・ドブロイとアインシュタインの式
5 　　波動関数
波動関数とシュレジンガー方程式について解説し、波動関数とは何か、理解させる
　・波動関数
　・シュレーディンガー方程式
6 　　前期量子論
水素原子についてシュレジンガー方程式を解き、軌道や量子数とは何か理解させる
　・原子軌道と量子数
7 　　スピン
スピンについて解説し、角運動量の重要性を理解させる
　・スピン量子数とフントの法則
8 　　多電子原子
パウリの排他原理に基づき、多電子原子の電子状態を解説し、その扱いを習得させる
　・多電子系とパウリの排他原理
　・全軌道・スピン量子数
　・電子項
9 　　反転授業
ここまでの講義内容は一年生にとっては大変難しい。
この段階で質問を受け付け、理解度の低い内容について解説し、理解度の向上を図る
10　　水素分子イオン
原子軌道の延長線で分子内の電子の運動状態を解説し、内容を理解させる
　・二原子分子の電子状態と電子項
11　　分子軌道法
複数の原子核の周りを運動する電子として分子内の電子の運動状態を扱う分子軌道法を理解させる
　・分子軌道の考え方
　・結合性軌道と反結合性軌道
12　　LCAO-MO法
原子軌道の線形結合として分子軌道を近似するLCAO-MO法を理解させる
　・重なり積分、クーロン積分、共鳴積分、永年方程式
13　　ヒュッケル法
π電子のみを扱うヒュッケル法について解説し、π共役系の電子状態を理解させる
　・π電子系の扱い
　・芳香族性（４ｎ＋２電子則）
14　　フロンティア軌道理論
分子軌道理論の応用としてフロンティア軌道理論を取り上げ、化学反応の予測法に関する知識を習得させる
　・HOMOとLUMO
　・ウッドワードホフマン則
15　　理解度の確認と全体の総括
講義内容の習得度の確認、内容の解説を通して、全体の理解を深める　

1 General
Outline the relationship between the state of electrons in matter and the properties of matter, which is the basis of chemistry, and recognize the importance of quantum theory
・ Material structure and substance
・ Atoms, ions, molecules, crystals
2 Periodic table
Explain the periodic table that is the basis of chemistry and make them understand
・ Atoms and elements
・ Atomic number, mass number, isotope
・ Principle of the periodic rule and the periodic table
3 Ion
Understand the relationship between electron energy in atoms and ionization energy
・ Energy level
・ Ionization energy and electron affinity
・ Electronegativity
4 Road to quantum mechanics
Explain the nature of electrons, the leading role in chemistry, and help them understand what quantum is
・ Wave and particle properties
・ Light and electronics
・ de Broglie and Einstein's formula
5 Wave function
Explain wave functions and Schlesinger equations, and understand what wave functions are
・ Wave function
・ Schrodinger equation
6 Early quantum theory
Solve the Schlesinger equation for hydrogen atoms to understand what orbits and quantum numbers are
・ Atomic orbitals and quantum numbers
7 spin
Explain spin and understand the importance of angular momentum
・ Spin quantum number and Hund's law
8 multi-electron atoms
Explain the electronic state of multi-electron atoms based on Pauli's exclusion principle and learn how to handle them
・ Multi-electron system and Pauli exclusion principle
・ Total orbital, spin quantum number
・ Electronic term
9 Flipped class
The lecture content so far is very difficult for first graders.
At this stage, we will accept questions, explain what is not well understood, and improve our understanding.
10 hydrogen molecular ion
Explain the state of movement of electrons in a molecule as an extension of the atomic orbit and understand the contents
・ Electronic states and electronic terms of diatomic molecules
11 Molecular orbital method
Understand the molecular orbital method that treats the motion state of electrons in molecules as electrons moving around multiple nuclei
・ Concept of molecular orbitals
・ Associative orbitals and anti-associative orbitals
12 LCAO-MO method
Understand LCAO-MO method to approximate molecular orbitals as linear combination of atomic orbitals
・ Overlap integral, Coulomb integral, resonance integral, secular equation
13 Huckel method
Explain the Huckel method that deals only with π electrons, and understand the electronic state of π conjugated systems
・Handling of and π electron systems
・Aromaticity (4n + 2 electron law)
14 frontier orbit theory
Focus on frontier orbital theory as an application of molecular orbital theory and acquire knowledge on how to predict chemical reactions.
・HOMO and LUMO
・Woodward Hoffman rule
15 Confirmation of understanding and generalization
Enhance the overall understanding by checking the level of learning of the lecture contents and explaining the contents

本科目は、教育職員免許状取得（教科：理科）に必要な教科に関する科目の「化学」区分に該当します。
ただし、教科に関する科目区分については、入学年度により異なるため、各自、入学年度または適用となる年度の学修簿により確認をしてください。
This subject falls under the “Chemistry” category of subjects related to subjects required for obtaining an educational staff license (Course: Science).
However, the subject classification for subjects differs depending on the year of enrollment, so please check your own in the study book for the year of enrollment or the applicable year.

-

-

9913A7S