量子化学
| 科目分野 | 理工学部 |
|---|---|
| 選必区分 | 選択 |
| 担当教員 ［ローマ字表記］ |
吉田 健 [Ken Yoshida] |
| 授業形態 | 講義 |
授業の目的
原子に含まれる電子の振る舞いは、電子の存在確率を表す「波動関数」によって表される。また、複数の原子が分子を形成するとき、原子間の結合に関与する電子の振る舞いは、複数の軌道の重ね合わせである「分子軌道」を用いて表される。この授業では、波動関数や分子軌道を用いて原子、分子の性質を記述する方法の基礎を理解する事を目標とする。
授業概要
まず量子力学の基礎、すなわち波動関数の性質、電子の１次元並進運動・閉じこめと３次元への拡張、回転運動などを学ぶ。そして水素原子の波動関数、電子軌道、エネルギーなどについて学んだあと、多電子原子の性質、特に原子番号の増加に伴う性質の変化を、波動関数や軌道に基づき理解する。その後、原子価結合法や分子軌道法に基づき、分子における原子間結合やエネルギー状態を理解していく。
到達目標
- 水素型原子における電子軌道とその性質を、各軌道の波動関数によって説明できる。
- 多電子原子における電子の性質を、電子軌道に基づいて説明できる。また原子番号の増加に基づく原子の性質の変化（元素の周期律）を、波動関数を用いて説明できる。
- 水素、酸素、窒素などの２原子分子に対して、原子間の結合を波動関数、分子軌道に基づいて説明できる。
授業計画
- シュレディンガー方程式と波動関数、その解釈
- １次元の並進運動と閉じこめられた粒子
- 固有値と固有関数
- ２次元及び３次元における並進と閉じこめ、回転
- 角運動量とスピン
- 水素原子（１）：シュレディンガー方程式と動径波動関数
- 水素原子（２）：様々な軌道と動径波動関数の解
- 多電子原子の性質
- 周期律、イオン化エネルギーなど
- 簡単な二原子分子（水素イオン分子）、原子価結合法と分子軌道法
- 水素分子、ヘリウム分子
- 共有結合と電子対生成
- sp, sp2, sp3混成軌道と２重結合、３重結合
- 酸素分子、窒素分子と分子軌道
- 結合次数、イオン化傾向と波動関数
- 定期試験
教科書
アトキンス物理化学（上） 第10版／Peter Atkins, Julio de Paula著 ; 中野元裕 [ほか] 訳：東京化学同人，2017, ISBN:9784807909087
キーワード
波動関数，水素型原子、多電子原子、分子、分子軌道
