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Life + Chemistry

化学の講義録+大学を楽しく面白い学びの場に変える試みの記録 (北里大学・野島 高彦)

看護学科の化学講義(13)分子のかたち

履修者47名中46名出席,出席率98 %.火曜日ですが前期授業時間13回確保のために金曜日程となっています.13回目の化学講義です.

前回やったこと・質問・コメント・その他紹介

くわしくは前回の講義録後半参照↓

核エネルギー,負の面

前回は医療や発電といった,核の平和利用について考えました.しかし,核の応用を考えるとき,核兵器の開発を無視することはできません.人類史上初の核爆発実験となった1945年7月15日のトリニティ実験のムービーを上映しました.この日の実験の様子をまとめたわかいやすい動画が昨年はYouTubeで公開されていたのですが,いまは削除されています.関連動画としては以下のようなものがあります.

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核分裂のエネルギーを最も効率よく利用した応用例は原子力発電ではなく,原子爆弾です.冷戦時代,アメリカ合衆国とソビエト連邦とでは核兵器の開発競争を続けていました.1961年,人類史上最大級の核爆発実験が行われました.その様子も上映しました.

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●核兵器のばくはつの映像すごかったです.迫力ありました.

●核実験のムービーはショッキングな内容でした.

●原爆のキノコ雲(ロシアのやつ)すごいです! なんかアメリカが,戦争を終わらせるために核を使ったっていうのは,良いことのような,悪いことのような・・・複雑ですね.後期も頑張るのでお願いします!

●ロシアの原子爆弾をみて,人間は恐ろしいなと改めて感じました.

●原子の応用,むずかしかったです.

●水爆って何ですか?

核融合にもとづく爆弾です.詳細は省略.

1991年に冷戦が終わって19年が過ぎましたが,人類はいまだに核兵器を保有し続けています.いま現在,自分のいる場所が何発の核兵器によって攻撃可能かを見積もるサイトがあります.

これによれば相模原市は 6277発の核弾頭の射程距離内に位置しています*1

原子軌道

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今回の目標は,電子の挙動に基づいて分子の「かたち」が決められる理由を説明することです.これまでの講義が高校化学の復習だと感じていた人にも,大学らしさを感じてもらえる箇所です.狙いは電子の挙動について今までよりも深く理解するところから始め,軌道の様子を理解し,それが分子の「かたち」と「極性」につながる,という流れを捉えることです.ただし,化学を専攻しない学部1年生を対象としているため,数式を使わない説明を試みました.そのため,正確さに欠ける部分があります.また,ところどころ説明のために故意に偏った表現をしています.

電子はどこにいるか?

これまでは,正電荷を持った原子核のまわりを,負電荷を持った電子がクルクルとまわっている,というモデルで原子の世界を説明してきました.しかしこれはあくまでも説明のためのモデルであって,実際の電子の振る舞いは,もっと奇妙なものです.

電子スケールの世界では,粒子の位置と運動量を同時に正確に決定することができません(ハイゼンベルグの不確定性原理).そのため,電子が「だいたいどのあたりにいることが多い」という理解しかできません.水素原子の場合,原子核から一定の距離範囲に電子が見つかることがもっとも多い,という理解が可能です.この,電子が見つかりやすい空間がK殻であり,1s軌道と呼ばれているものです.

ヘリウムの場合,この空間に2個の電子が共存しています.1s軌道には2個までの電子が存在可能です.

分子ではどうなるか

H2分子の場合は,2個のH原子が1s軌道を重ね合わせることによって結合をつくります.ここでK殻が閉じます.

L殻から先

L殻は2s,2px,2py,2pzの4個の軌道から構成されています.L殻に電子が収まって行くときには,まず2sに2個,続いて1個ずつ2px→2py→2pzと収まり,さらに1個ずつ2px→2py→2pzと収まって行きます.ここまで収まったところでL殻は閉殻になります.これがNeの場合です.

それぞれの軌道の「かたち」を,以下のプログラムを用いて説明しました.

メタンCH4分子が形成されるとき

メタンCH4の場合を考えてみます.中心の炭素原子の価電子は次のような配置になっています.

2sに2個,2pxに1個,2pyに1個,2pzはカラ

しかしこの電子配置では4個のH原子と結合することができません.また,炭素原子がオクテット則を満たさなくなります.さらに,実験的な根拠から,4本のC-H結合が等価なものであることもわかっています.こうした処条件を満たすための解釈が,混成軌道の生成,です.

2s軌道の2個の電子のうちの1個を2pz軌道に移すことによって,共有結合に参加可能な電子を4個とすることができます.さらに,2px,2py,2pzを,エネルギー的に等価なものに再編成することによって,等価な4本のC-H結合をもつメタンCH4分子を構成できるようになります.この際に生成される軌道が4本のsp3混成軌道です.

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アンモニアNH3と水H2O

Cよりも電子が1個多いNを中心にもつアンモニアNH3の場合は,4本のsp3混成軌道のうち一つがすでに2個の電子で埋まっています.残りの3個のsp3軌道を用いてN-H共有結合がつくられます.このため,NH3分子内には等価な3本のN-H結合と,1箇所の非共有電子対が存在します.その結果,NH3分子全体で電子の偏りが生じ,これがNH3分子を極性分子としています.

さらに電子が1個増えた酸素原子をもつ水H2Oの場合,2本のsp3混成軌道が非共有電子対で埋まっています.残りの2本がO-H結合に用いられます.この場合も同様に,分子は極性を持ちます.

●軌道のかたち,ものすごくわかりやすくてとっても楽しかったです.極性をもつという意味が高校ではあやふやにされていたけど,理解できました! 原子の模型,高校の時,いろんな結合をして遊んだので,なつかしかったです.

●極性の考え方は知っていましたが,軌道のかたちは知らなかったので,新しく刺激的でした.電子と極性が密接に関連していることに納得です.

●極性のあたり,よくわからず,あんきをしていたので,わかってよかったです.

●高校のとき,極性のある,なしの見分け方がよくわからなくて,毎回考え込んで苦労しましたが,今日の説明分かりやすかったです.極性分子,非極性分子の考え方がわかりました.

●今日は目に見えない原子のはなしでした.根本の話しだったので,いろいろとなぞがとけた気がします^^

●前に電子軌道を習ったときはすごくさらーっとやられてしまい,なんとなくしか理解できなかったけど,今日やって整理された気がします! 2px,2py,2pzの意味が分かるようになりました.

●今日の話は,レベル高かったけど,分子の形には理由があることはなんとなくわかった気がします.後期もよろしくお願いします。

●結合の形と電子の軌道の話,納得でした・▽・!!

●電子の居場所は古典的な考えしか知りませんでしたが,量子論的な考えというものもあることを知りました.電子雲は雲みたいにもやもやしてると先生は言っていましたが,その成分みたいなものは全て電子なんですか?

●いきなりレベル上がりすぎて焦りました(汗)

●今日のとってもむずかしかったです.でも久しぶりに化学がおもしろいから自分はこの科目好きだったんだと思い出しました.

●まだまだ原子は奥深いって実感しました.今まで高校のとき机上で勉強していたことより視野が広がって 面白かったです.後期楽しみにしています.

●なんか分子って目に見えないけど どこに存在するのかも不確定だし,イメージしづらくて理解しにくいですー。原子雲って原子軌道と同じですか? あと極性って何ですか? 極性あるとないってどう違いますか? 高校で化学やったことない私にはハイレベルすぎて全然わかんなかったですごめんなさい.でも先生の授業わかりやすくて楽しいです.後期もよろしくお願いします.

●形を足してまた形が変わった.

●分子の構造をイメージできました.電子の配置もわかった気がします.テストがんばります.

●今日の内容むずかしかったです.

●今日むずかしかったです.前期ありがとうございました.テスト簡単にしてください!! 切実に!! 笑 後期もまた楽しみにしています.

●今日やったことを後期にやるなんて・・・恐怖を感じました.テスト勉強,化学,まだノータッチなんですが,なんとか頑張ります.

●今日の分子についての説明は難しかった.

●今日の話,ちんぷんかんぷんでした.

●今日の内容はちょっと難しすぎです.

●量子論的な考え方,とても難しかったです.

●今日,難しかったです.分子の組み方などもっとできるようになったら化学理解できて楽しいと思いますが・・・

●分子がいろんな形をとることには訳があるということはわかった.でも難しかった.

●レベル高くてよくわからなかったです.でもテストがおわったらしっかり復習します!!

●めちゃくちゃ頭使いました.疲れました.あ,次,英語テストだー!!!

●今日はレベルが高すぎて,よくわかんなかった.自分のわからないもの,興味があまりわからないものは,ねむくなりますね.

●今日の内容は難しくてよくわからなかったです.極性があるとどうなるんですか?

●スライドでの説明はイメージしやすくてよかったです.

●原子軌道のところ,最後に立体で見れてよかったです.

●分子の形,何となくわかりましたが,結構むずかしかったです!! テストがんばります.

●頭の中がクエスチョンマークでいっぱいです.最後のムービーを見て,なんとなーく軌道の意味がわかったような気がしないでもないですが,水の場合のところが分かりませんでした.

前期終了・前期試験迫る

前期試験は来週月曜日26日です.どのような勉強をしておけばよいのかはすでに知らせてあります.また,主な計算問題の解法はくわしく解説してあります.それでも1年生は大学に入学して最初の試験を前にして,不安に感じているようです.

●前期ありがとうございました! 私にとってはどれも難しくて,理解できてないこともたくさんあるけど,分かる分からないにかかわらず,化学の授業を嫌だと思わずに受けられたことが私には大きなことでした.充実してました!

●前期ありがとうございました.とても楽しかったです.後期もよろしくお願いします。睡眠時間がとれなくて死にそうです・・・

●前期化学ありがとうございました.先生の授業わかりやすいです.テストがんばります!

●明日からテスト嫌でーす.落ちないように頑張ります!

●しけんがんばります.

●テストやるだけ頑張ってみます.大目に見てください.先生に会えて良かったです.いままでありがとうございました.

●つまります.難しいです.テスト・・・(笑 バカなりにがんばります・・・うん.

●テスト勉強大変で もう疲れました・・・.後期も引き続きよろしくお願いします。

●前期の授業は終わりなので,テストをがんばりたい!

●前期の授業とっても楽しかったー! テストがんばります!

●前期ありがとうございました.すっごく楽しかったです!!

●テストがんばります! あしたの統計が心配です・・・.

その他

●となりは何をやってる教室なんですか? まだ授業中なのにドアの音がうるさいんですが.

はやめに講義を終わらせていた教室があったようですね.

●毎日 ○ポビタンDを飲んでいるのですが・・・今日飲み忘れてしまって へたっていてごめんなさい・・・

栄養ドリンクに頼ってはダメですよ.ここぞというときに飲みましょう.

●うとうとしてしまいました・・・すみません.テスト頑張ります!

睡眠不足の人が多いですねぇ.夏ばてしなければいいのですが.

●いまさらですが・・・HP(?)みました.HPにも授業の質問とか載せてくれて,かつ,パワーポイントもつくっててすごいです!!!! テスト対策のプリントもつくってくださり・・・・!! リスペクトです!!! 化学テストがんばります^_^笑 でも先生はこんなにいろいろやってて,睡眠をいつとってるんですか?笑 よけいなおせわかもしれませんが,素朴に思いました・・・!

どうもありがとうございます.ちゃんと寝ていますよ.なんだかんだで.

次回予告

次回は9月16日,新棟講義室に場所を移します.前期試験の解説を行った後,第10章「水,溶液,コロイド」に進みます.

リンク

www.tnojima.net
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*1:この計算方法が完全に正しいかどうかは別として