【化学熱力学】
(Chemical Thermodynamics)
[生物科学科 3群 B選択 科目(配当年次: 第1学年 ) ]
 
単  位:2単位 単位認定者: 松沢英世
授業期間: 前期  15コマ 科目分担者:
授業形態: 講義  週1コマ
 
授業の目的

化学熱力学は、自然科学を学ぶ上で非常に重要で普遍的な学問である。この講義では生物科学を学ぶ学生が、化学熱力学の概念に慣れ、基本的な事例を、専門的な熱力学の用語を用いて理解し、取り扱うことができるようになる。

教育内容

熱力学の基本法則(内部エネルギーとエンタルピー,エントロピー,ギブスエネルギーと平衡,酸化還元,酸と塩基など)について、生命現象との関わりを含めた内容にすることで、理解を深め、より実用的な化学熱力学を講義する。

教育方法

配布プリントをもとに、コンパクトにまとめた内容をパワーポイントで映写しながら解説を行う。レポートを課すことで講義内容の復習に役立てる。

 
講義内容(シラバス)
項  目 担当者 授業内容

1回

授業内容説明,基本概念の確認

松沢

授業概要を説明後、化学熱力学を学ぶ上で基礎となる事項を確認する。化学熱力学で登場する物理量とその単位。完全微分と状態量。気体の法則と気体分子運動論について解説する。

2回

熱力学第一法則

松沢

仕事と熱,内部エネルギーとエンタルピー,熱容量について学ぶ。

3回

エンタルピー変化

松沢

標準エンタルピー変化の定義と種類。エンタルピーの温度変。化。キルヒホフの式について学ぶ。

4回

エントロピーの定義

松沢

自発変化の方向。エントロピーの定義と分子論的解釈。混合のエントロピー変化。残余エントロピー、熱力学第二,第三法則について学ぶ。

5回

ギブズエネルギー

松沢

ギブズエネルギーの定義、温度変化と圧力変化、熱力学的関係式の誘導、ギブズエネルギーと相平衡、クラジウス-クラペイロンの式について学ぶ。

6回

多成分系のギブズエネルギー

松沢

部分モル体積と化学ポテンシャル、ラウールの法則とヘンリーの法則、束一的性質(蒸気圧降下,沸点上昇,凝固点降下,浸透圧)の熱力学を理解する。

7回

電解質溶液

松沢

電解質溶液の電気伝導とイオンの活量、デバイ-ヒュッケルの理論と活量係数、タンパク質に対する塩溶効果と塩斥効果について学ぶ。

8回

中間テスト

松沢

これまで学んだことを整理し、知識を固める。

9回

化学平衡

松沢

反応のギブズエネルギー変化と平衡定数、平衡定数の温度変化とエンタルピー変化,エントロピー変化について学ぶ。

10回

生体反応の化学平衡

松沢

生化学における標準状態,生体反応のエネルギー源としてのATP,共役反応の原理と解糖系の反応について学ぶ。

11回

酸化と還元(電気化学)

松沢

化学電池と起電力,標準電極電位,ネルンストの式,起電力の温度依存性,起電力測定の応用について学ぶ。

12回

生体反応における酸化還元

松沢

生体内の酸化還元反応とエネルギー論について、クエン酸回路と呼吸鎖、NADHとFADH2の酸化還元を例にあげて解説する。生体膜の外と内のプロトン勾配とATPの生成機構(化学浸透圧説)について解説する。

13回

酸と塩基の反応と解離定数

松沢

酸と塩基の定義と平衡定数、水のイオン積、中和とpH指示薬、緩衝溶液の仕組み、緩衝液領域、ヘンダーソン-ハッセルバルヒの式について学ぶ。

14回

生体における酸と塩基の役割

松沢

生体における緩衝溶液、アミノ酸の等電点、血液のpHの維持と酸素、二酸化炭素の離脱着について解説する。

15回

まとめ

松沢

講義で学んだ内容を復習してまとめる。

 
到達目標

化学熱力学の基礎を理解し、生命現象を含めて様々な過程における熱力学量の変化や化学平衡について考察ができる。学生諸君がとるべき具体的な達成目標は、レポートの問題の意図(背景)を十分に理解した上で、個々の問題を自力で解けるようになることである。

評価基準

中間,定期試験はレポート課題をベースとした問題を出題する。合格点をとるには、レポート問題の正答率が60~70%以上である必要がある。評価は、レポートと中間,期末試験の結果から総合的に評価する。欠席やレポート未提出は減点の対象となる。

準備学習
(予習・復習)

前回の授業内容を理解し、次回の講義に備える。レポートの課題を解くことが復習学習になる。

 
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教科書 資料を配布する
参考書 アトキンス 生命科学のための物理化学 第2版 P.W. Atkins・J.dePaula著 稲葉 章・中川敦史 訳 東京化学同人 6300円 + 税
生命科学系のための物理化学 R. Chang 著 岩澤康裕 他 訳 東京化学同人 4900円+税