第Ⅰ部 平衡 |
1. 気体の性質 3 |
完全気体 3 |
1・1 気体の状態 3 |
1・2 気体の諸法則 7 |
Ⅰ1・1 インパクト:環境科学気体の諸法則と天候 11 |
実在気体 14 |
1・3 分子間相互作用 14 |
1・4 ファンデルワールスの式 17 |
1・5 対応状態の原理 21 |
チェックリスト 22 |
参考書 23 |
文章問題 23 |
演習 23 |
問題 25 |
2. 第一法則 28 |
基本的な概念 28 |
2・1 仕事,熟,エネルギー 29 |
2・2 内部エネルギー 31 |
2・3 膨張の仕事 34 |
2・4 熱のやりとり 38 |
2・5 エンタルピー 41 |
Ⅰ2・1インパクト:生化学と材料科学 示差走査熱量計測定 46 |
2・6 断熱変化 47 |
熱化学 49 |
2・7 標準エンタルピー変化 49 |
Ⅰ2・2 インパクト:生物学 食品とエネルギーの貯蔵 53 |
2・8 標準生成エンタルピー 55 |
2・9 反応エンタルピーの温度依存性 56 |
状態関数と完全微分 58 |
2・10 完全微分と不完全微分 58 |
2・11 内部エネルギーの変化 59 |
2・12 ジュール-トムソン効果 63 |
チェックリスト 66 |
参考書 67 |
補遺2・1 断熱過程 68 |
補遺2・2 二つの熱容量の間の関係式 68 |
文章問題 69 |
演習 69 |
問題 72 |
3. 第二法則 77 |
自発変化の方向 78 |
3・1 エネルギーの散逸 78 |
3・2 エントロピー 79 |
Ⅰ3・1インパクト:工業技術 冷凍 86 |
3・3 いろいろな過程のエントロピー変化 88 |
3・4 熱力学第三法則 93 |
系に注目する 96 |
3・5 ヘルムホルツエネルギーとギブズエネルギー 96 |
3・6 標準反応ギブズエネルギー 102 |
第一法則と第二法則の結合 104 |
3・7 基本式 105 |
3・8 内部エネルギーの性質 105 |
3・9 ギブズエネルギーの性質 107 |
チェックリスト 111 |
参考書 112 |
補遺3・1 ボルンの式 112 |
補遺3・2 実在気体:フガシティー 113 |
文章問題 114 |
演習 115 |
問題 117 |
4. 純物質の物理的な変態 121 |
相図 121 |
4・1 相の安定性 121 |
4・2 相境界 122 |
Ⅰ4・1 インパクト:化学工業技術 超臨界流体 123 |
4・3 相国の典型例3種 124 |
相の安定性と相転移 126 |
4・4 平衡の熱力学的な基準 126 |
4・5 安定性のいろいろな条件への依存性 127 |
4・6 相境界の位置 130 |
4・7 エーレンフェストによる相転移の分類 133 |
チェックリスト 135 |
参考書 136 |
文章問題 136 |
演習 136 |
問題 137 |
5. 単純な混合物 140 |
混合物の熱力学的な記述 140 |
5・1 部分モル量 140 |
5・2 混合の熱力学 145 |
5・3 液体の化学ポテンシャル 147 |
Ⅰ5・1 インパクト:生物学 気体の溶解度と呼吸 151 |
溶液の性質 152 |
5・4 混合液体 152 |
5・5 束一的性質 155 |
Ⅰ5・2 インパクト:生物学 生理学と生化学における浸透現象 160 |
活量 162 |
5・6 溶媒の活量 162 |
5・7 溶質の活量 163 |
5・8 正則溶液の活量 166 |
5・9 溶液中のイオンの活量 167 |
チェックリスト 171 |
参考書 171 |
補遺5・1 イオン溶液のデバイ-ヒユッケル理論 172 |
文章問題 174 |
演習 174 |
問題 176 |
6. 相図 180 |
相,成分,自由度 180 |
6・1 定義 180 |
6・2 相律 182 |
2 成分系 185 |
6・3 蒸気圧図 185 |
6・4 温度-組成図 188 |
6・5 液体-液体の相図 190 |
6・6 液体-固体の相図 194 |
Ⅰ6・1 インパクト:材料科学 液晶 196 |
Ⅰ6・2 インパクト:材料科学 超高純度と制御された不純物 198 |
チェックリスト 199 |
参考書 199 |
文章問題 199 |
演習 200 |
問題 203 |
7. 化学平衡 206 |
自発的な化学反応 206 |
7・1 ギブズエネルギーの極小 206 |
7・2 平衡状態 208 |
外部条件に対する平衡の応答 215 |
7・3 平衡に対する圧力の影響 216 |
7・4 平衡の温度による変化 217 |
Ⅰ7・1 インパクト:工業技術 金属酸化物からの金属の抽出 221 |
平衡電気化学 222 |
7・5 半反応と電極 222 |
7・6 電池の種類 224 |
7・7 起電力 225 |
7・8 標準電位 228 |
7・9 標準電位の応用 231 |
Ⅰ7・2 インパクト:生化学 生体細胞内でのエネルギー変換 231 |
チェックリスト 240 |
参考書 241 |
文章問題 241 |
演習 242 |
問題 243 |
第Ⅱ部 構造 |
8. 量子論:序論と原理 251 |
量子力学の起原 251 |
8・1 古典物理学の破綻 252 |
8・2 波と粒子の二重性 258 |
Ⅰ8・1インパクト:生物学 電子顕微鏡法 261 |
微視的な系の力学 262 |
8・3 シュレーディンガー方程式 262 |
8・4 波動関数のボルンの解釈 264 |
量子力学的原理 268 |
8・5 波動関数に含まれる情報 268 |
8・6 不確定性原理 278 |
8・7 量子力学の基本原理 281 |
チェックリスト 281 |
参考書 282 |
文章問題 282 |
演習 282 |
問題 284 |
9. 量子論:手法と応用 286 |
並進運動 286 |
9・1 箱の中の粒子 287 |
9・2 二次元および多次元における運動 293 |
9・3 トンネル現象 296 |
Ⅰ9・1 インパクト:ナノサイエンス 走査ブロープ顕微鏡 298 |
振動運動 300 |
9・4 エネルギー準位 300 |
9・5 波動関数 301 |
回転運動 307 |
9・6 二次元の回転:環上の粒子 307 |
9・7 三次元の回転:球面上の粒子 310 |
Ⅰ9・2 インパクト:ナノサイエンス 量子ドット 316 |
9・8 スピン 318 |
近似の手法 320 |
9・9 時間に依存しない摂動論 320 |
9・10 時間に依存する摂動論 322 |
チェックリスト 323 |
参考書 323 |
補遺9・1 デイラックの表記法 324 |
補遺9・2 才英動論 324 |
文章問題 326 |
演習 326 |
問題 327 |
10. 原子構造と原子スペクトル 331 |
水素型原子の構造とスペクトル 331 |
10・1 水素型原子の構造 332 |
10・2 原子オービタルとそのエネルギー 337 |
10・3 分光学的遷移と選択律 346 |
多電子原子の構造 348 |
10・4 オービタル近似 348 |
10・5 つじつまの合う場のオービタル 358 |
複雑な原子のスペクトル 359 |
Ⅰ10・1 インパクト:宇宙物理学 星の分光学 359 |
10・6 量子欠損とイオン化極限 360 |
10・7 一重項状態と三重項状態 361 |
10・8 スピン-軌道カップリング 362 |
10・9 項の記号と選択律 366 |
チェックリスト 371 |
参考書 372 |
補遺10・1 運動の分離 373 |
文章問題 373 |
演習 374 |
問題 375 |
11. 分子構造 378 |
ボルン-オッペンハイマー近似 379 |
原子価結合法 379 |
11・1 等核二原子分子 379 |
11・2 多原子分子 381 |
分子軌道法 385 |
11・3 水素分子イオン 386 |
11・4 等核二原子分子 390 |
11・5 異核二原子分子 397 |
Ⅰ11・1 インパクト:生化学 02,N2,NOの生化学的反応性 404 |
多原子分子系の分子オービタル 406 |
11・6 ヒユッケル近似 406 |
11・7 計算化学 412 |
11・8 分子の性質の予測 416 |
チェックリスト 419 |
参考書 420 |
文章問題 420 |
演習 420 |
問題 421 |
12. 分子の対称 426 |
物体の対称要素 426 |
12・1 対称操作と対象要素 427 |
12・2 分子の対称による分類 428 |
12・3 対称から直接導かれる結果 433 |
分子軌道法と分光学への応用 435 |
12・4 指標表と対称の記号づけ 435 |
12・5 積分の消滅とオービタルの重なり 442 |
12・6 積分の消滅と選択律 447 |
チェックリスト 449 |
参考書 449 |
文章問題 449 |
演習 450 |
問題 451 |
付録 |
付録1 量,単位,表示の変換 A1 |
付録2 数学的な取扱い A5 |
付録3 物理学の基本概念 A22 |
データ部 A33 |
索引 A59 |
13. 分子分光学1:回転スペクトルと振動スペクトル 455 |
分光学の一般的性質 456 |
13・1 実験技術 457 |
13・2 スペクトル線の強度 457 |
13・3 線幅 461 |
Ⅰ13・1 インパクト:宇宙物理学星間空間の回転および振動の分光学 464 |
純回転スペクトル 465 |
13・4 慣性モーメント 466 |
13・5 回転エネルギー準位 468 |
13・6 回転遷移 472 |
13・7 回転ラマンスペクトル 475 |
13・8 核統計と回転状態 477 |
二原子分子の振動 479 |
13・9 分子振動 479 |
13・10 選択律 480 |
13・11 非調和性 481 |
13・12 振動回転スペクトル 483 |
13・13 二原子分子の振動ラマンスペクトル 486 |
多原子分子の振動 487 |
13・14 基準振動 487 |
13・15 多原子分子の赤外吸収スペクトル 489 |
Ⅰ13・2 インパクト:環境科学 地球温暖化 490 |
13・16 多原子分子の振動ラマンスペクトル 491 |
Ⅰ13・3 インパクト生化学 振動顕微鏡法 493 |
13・17 対称性から見た分子振動 494 |
チェックリスト 497 |
参考書 498 |
補遺13・1 分光計 498 |
補遺13・2 回転分光法と振動分光法の選択律 502 |
文章問題 505 |
演習 505 |
問題 507 |
14. 分子分光学2:電子遷移 511 |
電子遷移の特性 511 |
14・1 二原子分子の電子スペクトル 512 |
14・2 多原子分子の電子スペクトル 518 |
Ⅰ14・1 インパクト:生化学 視覚 521 |
電子励起状態がたどる道 524 |
14・3 蛍光とりん光 524 |
Ⅰ14・2 インパクト:生化学 蛍光顕微鏡法 526 |
14・4 解離と前期解離 527 |
レーザー 527 |
14・5 レーザー作用の一般原理 527 |
14・6 レーザーの化学への応用 532 |
チェックリスト 538 |
参考書 538 |
補遺14・1 実用的なレーザーの例 539 |
文章問題 541 |
演習 542 |
問題 543 |
15. 分子分光学3:磁気共鳴 548 |
磁場が電子や原子核に及ぼす効果 548 |
15・1 磁場中の電子のエネルギー 549 |
15・2 磁場中の原子核のエネルギー 550 |
15・3 磁気共鳴分光法 551 |
核磁気共鳴 552 |
15・4 NMR分光計 552 |
15・5 化学シフト 553 |
15・6 微細構造 559 |
15・7 コンホメーション転換と交換過程 568 |
パルス法NMR 569 |
15・8 磁化ベクトル 569 |
15・9 スピン緩和 572 |
Ⅰ15・1 インパクト:医学 磁気共鳴イメージング 576 |
15・10 スピンデカップリング 578 |
15・11 核オーバーハウザー効果 578 |
15・12 二次元NMR 580 |
15・13 固体NMR 586 |
電子スピン共鳴 587 |
15・14 EPR分光計 587 |
15・15 g値 588 |
15・16 超微細構造 589 |
Ⅰ15・2 インパクト:生化学 スピンプローブ 592 |
チェックリスト 593 |
参考書 594 |
補遺15・1 FID曲線のフーリエ変換 |
文章問題 594 |
演習 595 |
問題 596 |
16. 統計熱力学1:概念 600 |
分子状態の分布 601 |
16・1 配置と重み 601 |
16・2 分子分配関数 604 |
Ⅰ16・1 インパクト:生化学 ポリペプチドのヘリックス-コイル転移 611 |
内部エネルギーとエントロピー 613 |
16・3 内部エネルギー 614 |
16・4 統計エントロピー 616 |
カノニカル分配関数 618 |
16・5 カノニカル・アンサンブル 618 |
16・6 分配関数に含まれる熱力学的情報 619 |
16・7 独立な分子 620 |
チェックリスト 623 |
参考書 623 |
補遺16・1 ボルツマン分布 623 |
補遺16・2 ボルツマンの式 624 |
補遺16・3 零度よりも低い温度 625 |
文章問題 627 |
演習 627 |
問題 628 |
17. 統計熱力学2:応用 631 |
基本の関係式 631 |
17・1 熱力学関数 631 |
17・2 分子分配関数 633 |
統計熱力学の応用 641 |
17・3 平均エネルギー 641 |
17・4 熱容量 642 |
17・5 状態方程式 644 |
17・6 液体における分子間相互作用 646 |
17・7 残余エントロピー 650 |
17・8 平衡定数 651 |
チェックリスト 657 |
参考書 657 |
文章問題 658 |
演習 658 |
問題 659 |
18. 分子間相互作用 662 |
電気的性質 662 |
18・1 電気双極子モーメント 662 |
18・2 分極率 666 |
18・3 比誘電率 669 |
分子間相互作用 671 |
18・4 双極子間の相互作用 671 |
18・5 反発相互作用と全相互作用 680 |
Ⅰ18・1インパクト:医学 分子認識と医薬設計 681 |
気体と液体 683 |
18・6 気体における分子間相互作用 684 |
18・7 液体-気体の界面 685 |
18・8 凝縮 689 |
チェックリスト 690 |
参考書 691 |
補遺18・1 双極子-双極子相互作用 691 |
補遺18・2 分子線の基本原理 691 |
文章問題 693 |
演習 693 |
問題 694 |
19. 材料1:高分子と分子集団 697 |
19・1 平均モル質量 698 |
19・2 質量スペクトル法 700 |
19・3 レーザー光散乱 702 |
19・4 超遠心法 706 |
19・5 電気泳動 709 |
Ⅰ19・1 インパクト 生化学 ゲノミクスとプロテオミクスにおけるゲル電気泳動 709 |
19・6 粘度 711 |
構造と動力学 713 |
19・7 種々の段階の構造 713 |
19・8 ランダムコイル 714 |
19・9 合成高分子の構造と安定性 719 |
Ⅰ19・2 インパクト科学技術 伝導性高分子 721 |
19・10 タンパク質の構造 721 |
19・11 核酸の構造 727 |
19・12 タンパク質と核酸の安定性 728 |
自己組織化 729 |
19・13 コロイド 730 |
19・14 ミセルと生体膜 733 |
19・15 表面薄膜 736 |
Ⅰ19・3 インパクト:ナノサイエンス 自己組織化した単分子膜によるナノ成型加工 739 |
チェックリスト 740 |
参考書 741 |
補遺19・1 レイリー比 741 |
文章問題 742 |
演習 742 |
問題 743 |
20. 材料2:固体 748 |
結晶格子 748 |
20・1 格子と単位胞 748 |
20・2 格子面の同定 751 |
20・3 構造の研究 753 |
Ⅰ20・1 インパクト:生化学 生体高分子のX線結晶学 762 |
20・4 中性子回折と電子回折 765 |
結晶構造 767 |
20・5 金属性固体 767 |
20・6 イオン性固体 769 |
20・7 分子性固体と共有結合ネットワーク 772 |
固体の性質 774 |
20・8 力学的性質 774 |
20・9 電気的性質 776 |
Ⅰ20・2 インパクト:ナノサイエンス ナノワイヤー 780 |
20・10 光学的性質 781 |
20・11 磁気的性質 787 |
20・12 超伝導体 790 |
チェックリスト 792 |
参考書 793 |
文章問題 793 |
演習 794 |
問題 796 |
第Ⅲ部 変化 |
21. 分子運動 |
気体の分子運動 804 |
21・1気体の運動論モデル 804 |
Ⅰ21・1 インパクト:宇宙物理学 完全気体のボールのような太陽 811 |
21・2 壁や表面との衝突 811 |
21・3 流出速度 812 |
21・4 完全気体の輸送物性 813 |
液体中の分子運動 817 |
21・5 実験結果 817 |
21・6 電解質溶液の伝導率 818 |
21・7 イオンの移動度 821 |
21・8 伝導率とイオンーイオン相互作用 825 |
Ⅰ21・2 インパクト : 生化学 イオンチャンネルとイオンポンプ 826 |
拡散 829 |
21・9 熱力学的な見方 829 |
21・10 拡散方程式 833 |
Ⅰ21・3 インパクト:生化学 生体膜を通る非電解質の輸送 835 |
21・11 拡散の確率 837 |
21・12 統計的な見方 838 |
チェックリスト 839 |
参考書 840 |
補遺21・1 完全気体の輸送物性 840 |
文草間題 842 |
演習 843 |
問題 845 |
22. 化学反応速度 849 |
実験的な化学反応速度論 849 |
22・1 実験法 850 |
22・2 反応速度 852 |
22・3 積分形速度式 857 |
22・4 平衡に近い反応 862 |
22・5 反応速度の温度依存性 865 |
速度式の解釈 868 |
22・6 素反応 868 |
22・7 逐次素反応 869 |
Ⅰ22・1 インパクト:生化学 ポリペプチドのヘリックス-コイル転移の速度 876 |
22・8 1分子反応 878 |
チェックリスト 881 |
参考書 882 |
補遺22・1 1分子反応のRRKモデル 882 |
文章問題 883 |
演習 884 |
問題 885 |
23. 複雑な反応の速度 890 |
連鎖反応 890 |
23・1 連鎖反応の速度式 890 |
23・2 爆発 893 |
重合の速度論 895 |
23・3 ステップ重合 895 |
23・4 連鎖重合 897 |
均一系触媒作用 899 |
23・5 均一系触媒作用の特徴 899 |
23・6 酵素 900 |
光化学 906 |
23・7 光物理過程と光化学過程の速度 906 |
Ⅰ23・1 インパクト:環境科学 成層圏のオゾンの化学 914 |
Ⅰ23・2 インパクト:生化学 植物の光合成における光の取込み 917 |
23・8 複雑な光化学過程 920 |
Ⅰ23・3 インパクト:医学 光線力学療法 922 |
チェックリスト 923 |
参考書 923 |
補遺23・1 共鳴エネルギー移動のフェルスター理論 924 |
文章問題 924 |
演習 925 |
問題 926 |
24. 反応の分子動力学 931 |
反応性の出会い 931 |
24・1 衝突理論 931 |
24・2 拡散律速の反応 937 |
24・3 物質収支の方程式 940 |
遷移状態理論 942 |
24・4 アイリングの式 942 |
24・5 熱力学的な見方 944 |
分子衝突の動力学 947 |
24・6 反応性の衝突 947 |
24・7 ポテンシャルエネルギー面 948 |
24・8 実験と計算の結果 950 |
24・9 超高速レーザー法による反応動力学の研究 953 |
均一系における電子移動 956 |
24・10 電子移動過程の速度 956 |
24・11 電子移動過程の理論 958 |
24・12 実験結果 960 |
Ⅰ24・1 インパクト:生化学 タンパク質内およびタンパク質間の電子移動 961 |
チェックリスト 964 |
参考書 964 |
補遺24・1 電子移動の活性化ギブズエネルギーとマーカスの交差式 965 |
文章問題 966 |
演 習 966 |
問 題 967 |
25. 固体表面の過程 971 |
固体表面の成長と構造 971 |
25・1 表面の成長 972 |
25・2 表面の組成 973 |
吸着度 979 |
25・3 物理吸着と化学吸着 979 |
25・4 吸着等温式 980 |
25・5 表面過程の速度 985 |
Ⅰ25・1インパクト:生化学 バイオセンサー解析 989 |
不均一系触媒作用 990 |
25・6 不均一系触媒作用の機構 990 |
25・7 表面における触媒作用 992 |
Ⅰ25・2 インパクト科学技術 化学工業における触媒作用の例 994 |
電極における諸過程 997 |
25・8 電極-溶液界面 997 |
25・9 電荷移動速度 999 |
25・10 ボルタンメトリー 1005 |
25・11 電気分解 1010 |
25・12 作動中のガルバニ電池 1011 |
Ⅰ25・3 インパクト:科学技術 燃料電池 1013 |
25・13 腐食 1014 |
Ⅰ25・4 インパクト:科学技術 材料の腐食からの保護 1016 |
チェックリスト 1017 |
参考書 1018 |
補遺25・1 電極電位とガルバニ電位の間の関係 1018 |
文章問題 1019 |
演習 1019 |
問題 1022 |
データ部 1027 |
演習aの解答 1041 |
演習bの解答 1047 |
問題の解答 1053 |
索引 1065 |