京都工芸繊維大学 Webシラバス / Web Syllabus KYOTO INSTITUTE OF TECHNOLOGY シラバス詳細

科目詳細情報 / Course Syllabus

科目分類 / Subject Categories
学部等 / Faculty	工芸科学部 / School of Science and Technology	今年度開講 / Availability	有 / Available
学域等 / Field	物質・材料科学域 / Academic Field of Materials Science	年次 / Year	２年次 / 2nd Year
課程等 / Program	専門基礎科目 / Specialized Foundational Subjects	学期 / Semester	前学期 / First term
分類 / Category	化学 / Chemistry	曜日時限 / Day & Period	月4 / Mon 4th

科目情報 / Course Information
時間割番号 / Timetable Number	15011402
科目番号 / Course Number	15061052
単位数 / Credits	2
授業形態 / Course Type	講義 / Lecture
クラス / Class	mb / mb
授業科目名 / Course Title	物理化学Ⅱ / Physical Chemistry Ⅱ
担当教員名 Instructor(s)	高廣　克己、寺澤　昇久
担当教員名 Instructor(s)	TAKAHIRO Katsumi、TERAZAWA Norihisa
その他 / Other	インターンシップ実施科目 Internship	国際科学技術コース提供科目 IGP	PBL実施科目 Project Based Learning	実務経験のある教員による科目 Practical Teacher
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	DX活用科目 ICT Usage in Learning	-	-	-
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科目ナンバリング / Numbering Code	B_PS2330

授業の目的・概要 Objectives and Outline of the Course
化学Iにおいて学んだ、化学結合論を深く理解し、３年次以降の専⾨科⽬の基礎学⼒を養うのが⽬的である。すべてのトピックは、化学Iの確認から導⼊するが、広い範囲を半年間で網羅することになるので、予習復習なしで理解することは難しい。その回の授業については宿題を解いてしっかり予習復習してほしい。適宜プリントを配布して内容を補う。
The purposes of Physical Chemistry Ⅰ are to understand deeply the chemical bond theory which was studied in the Fundamental Chemistry I, and to support the basic scholarship of the special subjects after the 3rd grades. Although they are certainly introduced from the check of the Fundamental Chemistry I, since all the topics will cover the wide range within half a year, it is difficult to understand the contents without the preparation and review of each lecture. The students must solve examples and exercise problems, and prepare/review firmly about the lesson. Although it is the lesson based on the designated textbook, some prints will be istributed suitably. Self-Learning is absolutely required.

授業の目的・概要
Objectives and Outline of the Course

化学Iにおいて学んだ、化学結合論を深く理解し、３年次以降の専⾨科⽬の基礎学⼒を養うのが⽬的である。すべてのトピックは、化学Iの確認から導⼊するが、広い範囲を半年間で網羅することになるので、予習復習なしで理解することは難しい。その回の授業については宿題を解いてしっかり予習復習してほしい。適宜プリントを配布して内容を補う。

The purposes of Physical Chemistry Ⅰ are to understand deeply the chemical bond theory which was studied in the Fundamental Chemistry I, and to support the basic scholarship of the special subjects after the 3rd grades. Although they are certainly introduced from the check of the Fundamental Chemistry I, since all the topics will cover the wide range within half a year, it is difficult to understand the contents without the preparation and review of each lecture. The students must solve examples and exercise problems, and prepare/review firmly about the lesson. Although it is the lesson based on the designated textbook, some prints will be istributed suitably. Self-Learning is absolutely required.

学習の到達目標 Learning Objectives
1．量⼦⼒学に関係する古典⼒学の法則について理解する。 2．量⼦⼒学の諸原理を学習して、その背景を理解する。 3．シュレディンガー⽅程式、波動関数および期待値についての理解を深める。 4．1次元の箱の中の粒⼦のエネルギー準位と波動関数の性質を学び、トンネル効果についての理解する。 5．1次元の箱の中の粒⼦の調和振動についてのエネルギー準位と波動関数の性質を理解する。 6．1次元の考え⽅を2次元および3次元に拡張し、粒⼦の⾃由な運動について学習し、原⼦軌道の⾓度依存性を理解する。 7．⽔素原⼦の原⼦軌道とエネルギー準位を整理し、⽔素原⼦の輝線スペクトルについて説明できる。 8．⽔素原⼦の電⼦軌道の形状とエネルギーを理解して、軌道とスピンの関係について習得する。 9．⾓運動量の量⼦化表現を習得して、⽅位量⼦数、磁気量⼦数との関連を理解する。 10．多電⼦原⼦の構成原理を理解して、電⼦配置を説明できる。 11．⽔素分⼦イオンの分⼦軌道法を⽤いて解き、結合性軌道および反結合⽣成軌道の波動関数とエネルギー準位について習得する。共有結合について電⼦状態から説明できる。 12．等核⼆原⼦分⼦および異核⼆原⼦分⼦について分⼦軌道法を⽤いて電⼦状態が説明できる。 13．混成軌道と原⼦価殻電⼦反発測について習得する。 14．ヒュッケル近似によりπ電⼦をもつ化合物の波動関数、電⼦密度、エネルギー準位について説明できる。 15．分⼦の回転、振動および電⼦遷移のエネルギー準位を整理し、理解する。
1．To learn the laws of classical mechanics related to quantum mechanics. 2．To learn the principles of quantum mechanics and understand the background. 3．To learn the Schrödinger equation, wave function and expected value. 4．To learn the energy levels of particles in a one - dimensional box and the nature of the wave function and understand the tunnel effect. 5．To learn the energy level and the nature of the wave function for harmonic oscillations of particles in one - dimensional boxes. 6．To learn how to extend the one-dimensional idea to two and three dimensions, and to understand the free movement of particles and the angular dependence of atomic orbitals. 7．To learn the atomic orbitals and energy levels of hydrogen atom and explain the spectrum of hydrogen atom. 8．To learn the shape and energy of the electron orbit of the hydrogen atom, and learn about the relation between the orbital and the spin. 9．To learn the quantization of angular momentum and understand the relation with azimuth quantum number and magnetic quantum number. 10．To learn the Aufbau principle of multiple electron atoms, and the electron arrangement. 11．To solve hydrogen molecular ion by using molecular orbital method and learn wave function and energy level of bonding and antibonding orbitals. 12．To explain electronic states by using molecular orbital methods for homonuclear diatomic molecules and heteronuclear diatomic molecules. 13．To learn hybrid orbitals and valence bond shell electron repulsion rule. 14．To explain the wave function, electron density and energy level of compounds with π electrons by Hückel approximation. 15．To learn energy levels of molecular rotation, vibration and electronic transitions.

学習の到達目標
Learning Objectives

1．量⼦⼒学に関係する古典⼒学の法則について理解する。
2．量⼦⼒学の諸原理を学習して、その背景を理解する。
3．シュレディンガー⽅程式、波動関数および期待値についての理解を深める。
4．1次元の箱の中の粒⼦のエネルギー準位と波動関数の性質を学び、トンネル効果についての理解する。
5．1次元の箱の中の粒⼦の調和振動についてのエネルギー準位と波動関数の性質を理解する。
6．1次元の考え⽅を2次元および3次元に拡張し、粒⼦の⾃由な運動について学習し、原⼦軌道の⾓度依存性を理解する。
7．⽔素原⼦の原⼦軌道とエネルギー準位を整理し、⽔素原⼦の輝線スペクトルについて説明できる。
8．⽔素原⼦の電⼦軌道の形状とエネルギーを理解して、軌道とスピンの関係について習得する。
9．⾓運動量の量⼦化表現を習得して、⽅位量⼦数、磁気量⼦数との関連を理解する。
10．多電⼦原⼦の構成原理を理解して、電⼦配置を説明できる。
11．⽔素分⼦イオンの分⼦軌道法を⽤いて解き、結合性軌道および反結合⽣成軌道の波動関数とエネルギー準位について習得する。共有結合について電⼦状態から説明できる。
12．等核⼆原⼦分⼦および異核⼆原⼦分⼦について分⼦軌道法を⽤いて電⼦状態が説明できる。
13．混成軌道と原⼦価殻電⼦反発測について習得する。
14．ヒュッケル近似によりπ電⼦をもつ化合物の波動関数、電⼦密度、エネルギー準位について説明できる。
15．分⼦の回転、振動および電⼦遷移のエネルギー準位を整理し、理解する。

1．To learn the laws of classical mechanics related to quantum mechanics.
2．To learn the principles of quantum mechanics and understand the background.
3．To learn the Schrödinger equation, wave function and expected value.
4．To learn the energy levels of particles in a one - dimensional box and the nature of the wave function and understand the tunnel effect.
5．To learn the energy level and the nature of the wave function for harmonic oscillations of particles in one - dimensional boxes.
6．To learn how to extend the one-dimensional idea to two and three dimensions, and to understand the free movement of particles and the angular dependence of atomic orbitals.
7．To learn the atomic orbitals and energy levels of hydrogen atom and explain the spectrum of hydrogen atom.
8．To learn the shape and energy of the electron orbit of the hydrogen atom, and learn about the relation between the orbital and the spin.
9．To learn the quantization of angular momentum and understand the relation with azimuth quantum number and magnetic quantum number.
10．To learn the Aufbau principle of multiple electron atoms, and the electron arrangement.
11．To solve hydrogen molecular ion by using molecular orbital method and learn wave function and energy level of bonding and antibonding orbitals.
12．To explain electronic states by using molecular orbital methods for homonuclear diatomic molecules and heteronuclear diatomic molecules.
13．To learn hybrid orbitals and valence bond shell electron repulsion rule.
14．To explain the wave function, electron density and energy level of compounds with π electrons by Hückel approximation.
15．To learn energy levels of molecular rotation, vibration and electronic transitions.

授業計画項目 / Course Plan
No.	項目 Topics	内容 Content	オンライン授業 online class
1.	量⼦論誕⽣の背景と前期量⼦論	量⼦論に関係する古典⼒学・電磁気学について、運動⽅程式、古典⼒学の波動⽅程式、クーロンの法則、電気双極⼦モーメントと磁気モーメントを解説し、量⼦論誕⽣の背景として、光の波動説、⽔素原⼦の輝線スペクトルにおける規則性の発⾒、電⼦の発⾒、ゼーマン効果、⿊体放射スペクトルを解説する。量⼦論の夜明けであるプランクの量⼦仮説とアインシュタインの光量⼦仮説を説明して、ボーアの原⼦モデルへのつながりを解説する。
1.	Background of quantum theory and old quantum theory	On classical mechanics and electromagnetism related to quantum theory, we describe the equation of motion, the wave equation of classical mechanics, Coulomb's law, electric dipole moment and magnetic moment. As the background of the birth of quantum theory, we explain the wave theory of light, the discovery of regularity in the bright line spectrum of hydrogen atoms, the discovery of electrons - the electrons as particles and the black body radiation spectrum. We explain the Planck 's quantum hypothesis which is the dawn of quantum theory and Einstein' s photon hypothesis, and explain the relationship to the Bohr 's atomic model.
2.	量⼦⼒学の確⽴	コンプトン効果、ド・ブロイの物質波の流れを概観して波動と粒⼦の⼆重性を説明し、その後の電⼦スピンの発⾒とパウリの排他原理の意義を解説する。ハイゼンベルグの⾏列⼒学とシュレーディンガーの波動⼒学の誕⽣の経緯および波動関数の確率解釈、不確定性原理、ディラック⽅程式までの流れを説明して、次週以降のシュレーディンガー⽅程式の解法につなげる。
2.	Establishment of quantum mechanics	Compton effect and de Broglie's material wave flow are overviewed to explain the duality of wave and particle, and the discovery of electron spin and Pauli's exclusion principle are explained. Heizenberg's matrix mechanics and the process of Schrödinger's wave mechanics, the probability interpretation of wave functions, the uncertainty principle, and the Dirac equation will be explained, and this will lead to the solution of the Schrödinger equation from the next week.
3.	シュレーディンガー⽅程式と波動関数	シュレーディンガー⽅程式の構成および波動関数の要件を変数分離法、規格化、エルミート演算⼦と波動関数の直交によって説明し、シュレーディンガー⽅程式に⽤いられる近似として以下の事柄について説明する。ポテンシャルエネルギーと波動関数の基本形状、波動関数の基底関数による線形近似、ボルン―オッペンハイマー近似、⼀電⼦近似、摂動法と変分法
3.	Schrödinger equation and wavefunction	The composition of Schrödinger equation and requirements of wave function are explained by variable separation method, such as normalization, orthogonality of Hermitian operator and wavefunction. The following matters will be explained as approximations used for Schrödinger equation. Basic shape of potential energy and wave function, linear approximation by basis function of wave function, Born-Oppenheimer approximation, one electron approximation, perturbation method and variational method.
4.	⾃由粒⼦の１次元の運動	１次元の⾃由粒⼦の運動、有限の矩形ポテンシャルにおける粒⼦の運動（トンネル効果）、 1次元井⼾型ポテンシャル内の粒⼦の運動について詳説する。
4.	One-dimensional motion of free particle	The one-dimensional movement of free particle, the movement of particles at a finite rectangular potential (tunneling effect), and the movement of particles within onedimensional well-type potential are described in detail.
5.	中⼼ポテンシャルによる粒⼦の運動︓１次元振動運動	1次元調和振動⼦型ポテンシャルにおける粒⼦の運動を詳説し、振動量⼦数を導⼊する。
5.	Particle motion due to center force potential: one-dimensional vibrational motion	We will describe the motion of particle in one dimensional harmonic oscillator type potential and introduce vibration quantum number.
6.	２次元、３次元における粒⼦の運動	粒⼦の１次元シュレーディンガー⽅程式の結果を変数分離法によって２次元および３次元の箱中の粒⼦へと拡張する。シュレーディンガー⽅程式の極座標表⽰を学び、そこから現れてくる球⾯調和関数と動径波動関数の関係を式の変形をとおして学ぶ。球⾯上に束縛された粒⼦がとりうる波動関数である球⾯調和関数の導出と基本形状について説明し、極座標表⽰されたシュレーディンガー⽅程式の⼀般的な解法を説明する。
6.	Particle motions in two- and threedimensional space	The results of one dimensional Schrödinger equation of particle are extended to particle in two and three dimensional boxes by variable separation method. Learn the polar coordinate representation of the Schrödinger equation and learn the relationship between the spherical harmonic function and the radial wave function appearing from it, through the transformation of the equation. Explain the derivation and basic shape of the spherical harmonic function, and give general solutions to the Schrödinger equation displayed in polar coordinates.
7.	⽔素類似原⼦の電⼦軌道	⽔素類似原⼦のシュレーディンガー⽅程式から⽔素類似原⼦の動径波動関数と動径分布関数の性質を学び、⽔素型原⼦の構造とエネルギーの関係を学ぶ。変数分離によって動径波動関数を導出し、s,p,d,fオービタルの形状とエネルギー準位を学ぶ。動径分布関数の形状から電⼦密度の概念を取得する。
7.	Electron state of hydrogen-like atom	From the Schrödinger equation of hydrogen-like atom, we learn the dynamic radial wave function and the nature of radial distribution function of hydrogen-like atoms and learn the relation between hydrogen type atom structure and energy. Radial wave function is derived by variable separation and learn s, p, d, f orbital shape and energy levels. Obtain the concept of electron density from the shape of radial distribution function.
8.	⽔素類似原⼦までの振り返り	量⼦⼒学の成⽴過程においての重要な事柄を整理し、様々なポテンシャルにおける粒⼦の運動について振り返る。トンネル効果や、１次元井⼾型ポテンシャル内の粒⼦の波動関数とエネルギーについて説明した後、球⾯調和関数と動径波動関数から⽔素類似原⼦の波動関数が構成されていることを定着させる。
8.	Overview of hydrogen-like atom	We will organize important matters in the formation process of quantum mechanics and look back on particle motion in various potentials. After explaining the tunnel effect and the wave function and energy of the particles in the one-dimensional well type potential, we can calculate the wave function of the hydrogen-like atom from the spherical harmonic function and the radial wave function, which are the wave functions that can be taken by the particle bound on the spherical surface.
9.	⾓運動量とスピン	⾓運動量の量⼦化と⾓運動量の演算⼦、⾓運動量の極座標表⽰と空間量⼦化を説明する。回転、⾓運動量について説明し、円運動する粒⼦の波動関数について説明した上で、⾓運動量の量⼦化について説明した後、球⾯上を⾃由に動く粒⼦について拡張し、⽅位量⼦数、磁気量⼦数と⾓運動量の関係について述べる。さらに、⾓運動量と磁気的性質について、⾓運動量と磁気モーメント、⾓運動量の合成と⽔素原⼦の輝線スペクトルの微細構造の解析を説明する。
9.	Angular momentum and spin	Explain quantization of angular momentum and operator of angular momentum, polar coordinate of angular momentum and spatial quantization. Rotational motion and angular momentum will be described, and the wave function of the particle moving in a circle will be described. After describing the quantization of angular momentum, we expand the free particle on the spherical surface, and describe the relation between azimuth quantum number, magnetic quantum number and angular momentum. Furthermore, for angular momentum and magnetic properties, we explain the synthesis of angular momentum, magnetic moment, angular momentum and analysis of fine structure in hydrogen atom spectra.
10.	多電⼦原⼦の電⼦軌道	周期律の発⾒、電⼦殻と周期表について復習した後、多電⼦原⼦の軌道エネルギー計算⽅法（ヘリウム原⼦のエネルギー近似計算、ハートリー-フォック近似、スレーター⾏列式、有効核電荷とスレーター則）について説明する。多電⼦原⼦の電⼦状態を理解するために、軌道⾓運動量とスピン⾓運動量の合成から全⾓運動量量⼦数を求め、多電⼦原⼦の項について説明する。パウリの原理、フント則を使⽤して構成原理を説明し、多電⼦原⼦の電⼦配置と基底状態の項を。多電⼦原⼦の電⼦配置とイオン化エネルギーと電⼦親和⼒の関連を説明する。
10.	Electron orbitals of multiple electron atoms	After reviewing periodic rule, electronic shell and periodic table, the orbital energy calculation method of multi-electron atoms (energy approximate calculation of helium atom, Hartree-Fock approximation, Slater matrix formula, effective nuclear charge and Slater rule) will be explained. In order to understand the electronic state of multiple electron atoms, the total angular quantum number is obtained from the combination of the orbital and spin quantum numbers, and the term of multi electron atoms is explained. The Aufbau principle is explained by using Pauli's principle and Hund's rule, and the electron arrangement and the term of multi-electron atoms in the ground state. We will explain the electron arrangement of multiple electron atoms and the relationship between ionization energy and electron affinity.
11.	共有結合と⽔素分⼦イオン	共有結合とオクテット則、⽔素分⼦イオンH2+の構造、σ結合とπ軌道について説明する。原⼦価結合法と分⼦軌道法の違いを学び、⽔素分⼦イオンH2+の分⼦軌道法による近似解を求めて、共有結合の本質を説明する。
11.	Covalent bond and hydrogen molecule ion	Covalent bond and octet rule, structure of hydrogen molecular ion, H2+, σ bond and π orbit will be explained. Learn the difference between the valence bond method and the molecular orbital method and explain the essence of covalent bond by finding an approximate solution by the molecular orbital method of hydrogen molecule ion H2+.
12.	等核および異核⼆原⼦分⼦	⽔素分⼦H2の構造から、第２周期の等核⼆原⼦分⼦の電⼦構造を分⼦軌道法への電⼦の充填によって説明する。異核⼆原⼦分⼦の電⼦構造について説明して、電気陰性度との関連にふれる。
12.	Homo- and heteronuclear diatomic molecules	From the structure of the hydrogen molecule H2, we explain the electronic structure of the homonuclear diatomic molecule of the second period by electron filling to the molecular orbital method. The electronic structure of heteronuclear diatomic molecules and the relation with electronegativity will be discussed.
13.	分⼦構造化学（１）︓混成軌道と原⼦価殻電⼦対反発則	量⼦化学の有機化学への応⽤について、混成軌道と原⼦価殻電⼦対反発則（VSEPR則）を解説する。
13.	Molecular structure chemistry (1): hybrid orbitals and valence shell electron pair repulsion rule	On the application of quantum chemistry to organic chemistry, we explain hybrid orbitals and valence shell electron pair repulsion rule (VSEPR rule).
14.	分⼦構造化学（２）︓ヒュッケル法	ヒュッケル分⼦軌道法を詳説し、エテン、ブタジエン、ベンゼンを例にとってヒュッケル近似を説明する。π電⼦が関与する波動関数、電⼦密度、エネルギー準位について理解して、HOMO、LUMOの概念をつかむ。
14.	Molecular structure chemistry (2): Hückel method	The Hückel molecular orbital method will be described in detail, and the Hückel approximation will be explained using ethene, butadiene, benzene as an example. Understand the wave function, electron density, energy level involving π electrons, and the concept of HOMO and LUMO.
15.	まとめと補足	これまでのまとめと補足。
15.	Summary and supplement	Summary and supplement.

履修条件 Prerequisite(s)
化学Ⅰの履修と理解を前提とする。化学Ⅰの単位を取得していなくても物理化学Ⅰは履修できるが、化学Ⅰの内容を前提とするので⾃学⾃習して補わなければ、物理化学IIの単位取得は難しい。
This course is limited for students in Department of the Applied Chemistry. Comprehension of Fundamental Chemistry I is required.

授業時間外学習（予習・復習等） Required study time, Preparation and review
予習、復習を合わせて３時間程度は必要である。小テストを⾏う。試験前には、授業内容を復習、確認する時間を必ず確保すること。原則として対面で行う予定であるが、1，2回はオンライン（オンデマンド）で行うこともあり得る。本学では1単位当たりの学修時間を45時間としています。毎回の授業にあわせて事前学修・事後学修を行ってください。
Three hour-study at home is necessary. A midterm exam will be performed. Please note that KIT requires 45 hours of study from students to award one credit, including both in-class instructions as well as study outside classes. Students are required to prepare for each class and complete the review after each class.

授業時間外学習（予習・復習等）
Required study time, Preparation and review

予習、復習を合わせて３時間程度は必要である。小テストを⾏う。試験前には、授業内容を復習、確認する時間を必ず確保すること。
原則として対面で行う予定であるが、1，2回はオンライン（オンデマンド）で行うこともあり得る。
本学では1単位当たりの学修時間を45時間としています。毎回の授業にあわせて事前学修・事後学修を行ってください。

Three hour-study at home is necessary. A midterm exam will be performed.
Please note that KIT requires 45 hours of study from students to award one credit, including both in-class instructions as well as study outside classes. Students are required to prepare for each class and complete the review after each class.

教科書／参考書 Textbooks/Reference Books
（教科書）「アトキンス物理化学（上）」東京化学同⼈ 978-4-8079-0908-7 （参考書）「量⼦化学」講談社サイエンティフィク社 78-4-06-513330-9、「基礎化学」サイエンス社 978-4-7819-1270-7
(Text book) Atkins Physical Chemistry 1st volume, Tokyo Kagaku Dojin, 978-4-8079-0908-7 (Reference book) Quantum Chemistry, Kodansha Scientific Co. Ltd. 978-4-06-513330-9 Basic chemistry, Saiensu-sha Co., Ltd. 978-4-7819-1270-7

成績評価の方法及び基準 Grading Policy
成績評価では、8回までの前半（50%）と9回から15回の後半（50%）に均等に分ける。その合計点が60点以上を合格とする。
Performance evaluation of this course will be equally divided by the former half (50%) and the latter half (50%). Students who acquire more than 60 points in the exams are regarded as having passed.

留意事項等 Point to consider
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