2010年7月8日 - 北大触媒セ・大谷文章のウェブページ

2010年7月8日
2010/07/08─
2010/07/08─「クイズで学ぶ化学と科学」第
「クイズで学ぶ化学と科学」第9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)
高等教育機能開発総合センターS7(E215から変更)
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
北キャンパス創成科学研究棟03-311-2号室
[email protected]
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「クイズで学ぶ化学と科学」第9回
2
今後の予定
▼ 木曜日5校時の本クラスはそのままの日程で行います(講義室は変更)
▼ 補講クラスを『A』と『B』の2つにわけ,おなじ内容の講義を行います
・補講クラスA: (週によって)金曜日5校時あるいは火曜日3校時
・補講クラスB: 木曜日3校時
どちらでも都合のいい方に出席してください.
▼ 本クラス,補講クラスともに講義室は「S7」
補講
1
2
3
4
5
回数
クラスA
クラスB
本クラス
6
6月29日(火)3校時7月1日(木)3校時 7月1日(木)5校時
8
7月2日(金)5校時 7月8日(木)3校時 7月8日(木)5校時
10
7月9日(金)5校時7月15日(木)3校時7月15日(木)5校時
12 7月16日(金)5校時7月22日(木)3校時7月22日(木)5校時
14
8月3日(火)3校時 8月5日(木)3校時 8月5日(木)5校時
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回数
7
9
11
13
15
3
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
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」
評価しない.《毎回数題のクイズ/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
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
1~2回》
■ 各講義の最後に提出する「感想と意見」は(ニックネームつき
で)公開とし,次回に講評と討論を行う.受講者はニックネー
ムを設定する.担当者に対する最低1つの質問をすること.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《毎
回》
■ 科学的な視点と方法の基礎を身につける
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4
Q: 前回の質問/回答に投票してください
■ 配布した「感想/質問と回答」をみて
いいと思った質問
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
に発表します.
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5
燃料電池のしくみ
化学エネルギー/電気エネルギー変換
H2 + 1/2O2 = H2O
「新エネルギー便覧」(平成8年度版)
「新エネルギー便覧」(平成8年度版)
燃料電池002
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6
ガソリンを改質して水素燃料電池につかう
■ ガソリン(CxHy)の改質により水素を製造し,それを燃料電池の
燃料として使ったら,全体の化学反応式はどう表されるか.
■ ガソリンエンジンにおける化学反応式はどう表されるか.
CCxxHHyy ++ xO
xO22== y/2H
y/2H22 ++ xCO
xCO22
y/2H
y/2H22 ++ y/4O
y/4O22 == y/2H
y/2H22OO
CCxxHHyy ++ (x
(x ++ y/4)O
y/4)O22 == y/2H
y/2H22OO ++ xCO
xCO22
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題材
■
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物質とはなにか/環境とはなにか/科学の視点
モル-どうやってアボガドロ数を計測するのか
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
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-科学倫理
ヨーロッパの地図を描く-科学における論理性と実験ノート
血液型性格判断と星占い
電子レンジ-インターネット上の情報と科学
燃料電池-報道と科学論文,解説:科学表現とは何か
科学の三冠王-科学者はなにをめざすのか
ダイオキシン-報道と科学
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
リサイクル-環境と物質とエネルギー
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8
Q: 野球における三冠王・四冠王・五冠王・六冠王
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Q: 野球における三冠王・四冠王・五冠王・六冠王
打者の三冠(さんかん)とは,
首位打者・最多本塁打・最多打点
三冠を同時に達成した打者を三冠王(さんかんおう・triple crown)とよぶ.英
語ではTriple Crownと言う.これら以外の打撃タイトルは,
最多盗塁・最多安打・最高出塁率
がある.三冠に最多盗塁をくわえて四冠(よんかん)とする場合もある.
投手の三冠として,
最優秀防御率・最多勝利・最多奪三振
とすることがある.さらに,これに
最高勝率・最多完封勝利
も合わせて五冠王(ごかんおう)とよぶ場合もある.
《ウィキペディア『三冠(野球)』を一部改変・追加》
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10
Q: 日本のプロ野球における打者の三冠王
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Q: 日本のプロ野球における打者の三冠王
1938秋
1965
1973
1974
1982
1984
1985
1986
2004
中島治康(巨人)
野村克也(南海)
王貞治(巨人)
王貞治(巨人)
落合博満(ロッテ)
ブーマー(阪急)
バース(阪神)/落合博満(ロッテ)
バース(阪神)/落合博満(ロッテ)
松中信彦(ダイエー)
四冠王はいない(渡米前年のイチローが惜しかった・イースタンリーグでは197
7年に庄司智久(巨人) )・アメリカメジャーリーグでは,1967年以来打者の三
冠王はでていない.
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12
科学における三冠王
Q
科学における三冠王とは
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13
科学における三冠王
Q
科学における三冠王とは
科学における記録などに名前が残る
・受賞:ノーベル賞
・式や反応,法則名
・単位名
・学会・学術雑誌名
・形容詞がある
Q
科学における三冠王・四冠王は誰?
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科学における三冠王
Q
科学における三冠王とは
科学における記録などに名前が残る
・受賞:ノーベル賞
・式や反応,法則名
・単位名
・学会・学術雑誌名
・形容詞がある
Q
アインシュタイン(A. Einstein): 3
キュリー夫人(M. Curie): 3
ファラデー(M. Faraday): 2/3
ニュートン: 2/3
科学における三冠王は誰?
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科学における三冠王
Q
科学における三冠王とは
科学における記録などに名前が残る
・受賞:ノーベル賞
1932年ノーベル化学賞
・式や反応,法則名 ラングミュア式・ラングミュア=ブロジェッ
ト膜・ルイス=ラングミュアの理論
langmuir = 1×10-6 torr s(露出)
・単位名
・学会・学術雑誌名 Langmuir(アメリカ化学会)
Langmuirian
・形容詞がある
Q
Irvin Langmuir(1881-1957)
科学における三冠王・四冠王は誰?
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第5回ソルベー会議(テーマ:放射理論と量子)
10
1
5
2
16
12
13
14
15
4
3
17
18
6
22
20
19
7
21
9
8
24
23
26
25
11
27
28
29
ソルベーとネルンスト(電気化学平衡に関するネルンストの式)が主催/ラングミュアはネ
ルンストの弟子/ルイス-ラングミュアの四面体型原子模型
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Bohr
Born
Heisenberg
de Broglie
Pauli
Langevin
Compton
Schraedinger
Einstein
Lorentz
Curie
Dilac
Bragg
Pranck
Langmuir
Debye
Knudsen
第5回ソルベー会議(テーマ:放射理論と量子)
ソルベーとネルンスト(電気化学平衡に関するネルンストの式)が主催/ラングミュアはネ
ルンストの弟子/ルイス-ラングミュアの八隅型原子模型(原子価モデル)
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ルイス-ラングミュアの理論
■ オクテット(八隅体)を考え,「隅」に電子を配置する
■ 結合は「隅」に電子をうめるように行われる
■ 単結合は「辺共有」・二重結合は「面共有」
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ルイス-ラングミュアの理論と「点電子式」
■ 水素は8つの隅をうめられない
■ 三重結合を表現できない
■ 電子を点であらわし,原子のまわりに8個配置=点電子式
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論文雑誌「Langmuir」
■ アメリカ化学会発行
界面・表面・微粒子などが専門
物理化学
インパクトファクター: 引用頻度
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ラングミュア-ブロジェット(Langmuir-Blodgett)膜
■ 疎水性部と親水性部をもつ分子を水面上に「展開」
■ 親水性部は水に接する/疎水性部どうしが相互作用
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電球が「切れる」とは
■ エジソンがつくったジェネラルエレクトリック(GE)では,タングス
テン(W)フィラメントをつかった電球を開発
■ タングステンは高融点のため,揮発しにくい
■ 電球内の不純物によりフィラメントが「切れる」
Q タングステンフィラメントの電球が「切れる」のはなぜですか.
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電球が「切れる」とは
■ エジソンがつくったジェネラルエレクトリック(GE)では,タングス
テン(W)フィラメントをつかった電球を開発
■ タングステンは高融点のため,揮発しにくい
■ 電球内の不純物によりフィラメントが「切れる」
Q タングステンフィラメントの電球が「切れる」のはなぜですか.
・電球中の水分により酸化タングステン(低融点)と水素が生成
・酸化タングステンは揮発してガラス面に付着
・付着した酸化タングステンと水素が反応が反応して水が再生
ラングミュアサイクル
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電球のなかでおこる化学反応=ラングミュアサイクル
・電球中の水分により酸化タングステン(低融点)と水素が生成
・酸化タングステンは揮発してガラス面に付着
・付着した酸化タングステンと水素が反応が反応して水が再生
W
H2
WO3
H2O
WO3
W
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吸着現象についてのラングミュアの貢献
■ ラングミュアはジェネラルエレクトリック(GE)社で電球の研究
■ 電球のタングステンフィラメントの消耗の問題
■ 不純物をとりのぞくより,不活性ガスを充填した方がよい
■ 気体の圧力と吸着量の関係についての考察
■ ラングミュア式を提唱
・ほとんどの吸着現象に適用できる=とくに液相吸着
・理論的に導き出すことができる=応用範囲がひろく,吸着をと
もなう化学反応(たとえば固体触媒反応)の説明に使える
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吸着等温式(adsorption isotherm)
■ 吸着された物質と表面の相互作用(interaction)
・ファンデルワールス(van der Waals)力: 物理吸着
(physical adsorption)
・化学結合: 化学吸着
(chemisorption)
■ 吸着量の濃度(圧力)
依存性: 吸着等温線
(isotherm)
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吸着等温線(吸着等温式)
さまざまな吸着等温線(型)
A
B
C
D
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ラングミュア式の3つの前提条件
ラングミュア式を誘導するためには3つの仮定が必要
■ 仮定1: 表面上に均質な吸着サイトが存在し,サイトと吸着
質の相互作用により吸着が起こる(サイトの吸着力は一定)
■仮定2: 吸着サイトにはひとつの吸着質のみが吸着できる(多
重吸着は起こらない)
■仮定3: 吸着サイトどうしの相互作用はない(吸着のあるなし
がとなりの吸着サイトの吸着には影響しない)
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吸着平衡(adsorption equilibrium)
■ 吸着平衡とは: 吸着速度と脱着速度が等しい状態
adsorption equilibrium: same rate of adsorption and
desorption
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ラングミュア式の導出
■ 吸着平衡時に吸着速度と脱着速度は等しい
Same rate of adsorption and desorption at equilibrium
■ 吸着速度(rate of adsorption): ra = ka[v]C
脱着速度(rate of desorption): rd = kd[o]
ka[v]c = kd[o]
kaC [v]/([v]+[o]) = kd[o]/([v]+[o])
kaC (1 - θ) = kdθ
KC (1 - θ) = θ
θ= KC/(1 + KC )
●空きサイト(vacant site): [v]・埋まったサイト(occupied site): [o] ●被覆
率(coverage): θ = [o]/([v] + [o]) ●基質の平衡濃度(concentration at
equilibrium): C ●速度定数(rate constant): ka,kd ●吸着平衡定数
(equilibrium constant): K = ka/kd
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31
Q: ラングミュア式の極限は?
■ 実際の吸着量とθの関係: 飽和吸着量 s
[S]ads
sKC
= sθ =
1+ KC
■ ラングミュア式の特殊ケース
・C が小さく,KC が1と比べて無視できる: [S]ads∝
When C is so small that KC can be neglected
・C が大きく,KC が1よりずっと大きい:
[S]ads=
When C is large enough to neglect 1
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Q: ラングミュア式の極限は?
■ 実際の吸着量とθの関係: 飽和吸着量 s
[S]ads
sKC
= sθ =
1+ KC
■ ラングミュア式の特殊ケース
・C が小さく,KC が1と比べて無視できる: [S]ads∝
C
When C is so small that KC can be neglected
・C が大きく,KC が1よりずっと大きい:
[S]ads=s
When C is large enough to neglect 1
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ラングミュア型吸着の理想的な等温線
■ ラングミュア吸着は2つの極限状態がある
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クイズづくりの練習
▼ もっとも半径が小さいイオンは何か:
《予想解答》水素イオン・《正答》F7+ (ネットで調べてみたところ,水素イオンのイオン半径は
記載されていないか値がマイナスでした.意味はよくわかっていません.調査中)
《コメント》そもそもイオンの大きさというのはどうやってはかるのか,ということの方がおもしろ
い問題です.大学院生でもちゃんと答えられる人は少ないと思います.
▼ 無重力状態の宇宙ステーションのなかで物体の質量はどうしたらはかれるか:
《正答》バネをつかってはかることができる.宇宙ステーションの適当な壁にばね定数(k/N m1)のわかっているバネをつけ,その先に質量をはかりたい物体をとりつけ,単振動させる.物
体の質量m (kg)は宇宙ステーションとくらべてはるかに小さいので物体の運動だけを考えれ
ばよい.単振動の周期T (s)から,T = 2π(m/k)0.5 から,m をもとめる.
▼ 波の高さはどうやって測定するか:
《予想解答》音波を測定する装置を用いる/見た目で決める・《正答》海底に設置した「超音
波式波高計」がもっとも正確.海底から海面に向かって超音波を発して,もどるまでの時間を
計測することで波高をわりだす.また,沖にうかんでいるブイに加速度計や圧力計をつけて波
の高さを測ることも可能.機械を設置できない場合には目視できめる.
《コメント》「波の高さ」とは何なのか,ということを定義する必要がありますが,その中にはきっ
と「波のないときに海面の高さ」が問題になるのではないかと思います.では,それはどうやっ
てはかればいいのか...
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質問...
Q
Q
Q
あなたのニックネームは何ですか
質問は何ですか(すくなくとも1つ)
今回の講義の感想・意見
講義のウェブページ
http://www.hucc.hokudai.ac.jp/~k15391/
[email protected]/011-706-9132
北大 大谷研
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