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Google Classroomのクラスコードは工学部Webページにて確認すること。
学部シラバス・時間割(https://www.eng.tohoku.ac.jp/edu/syllabus-ug.html)
１．目的
「化学の基礎」としての物理化学と化学反応の基礎を、演習を通して習得する。
２．概要
構造論（量子化学、化学結合論）、物性論（有機分子，気体）、平衡論（熱力学、溶液化学、状態変化）ならびに反応（速度論，有機反応）に関する問題演習を行う。
３．達成目標等
演習を通じて、基礎の習得とその確認を行い、さらに応用につながるような知識を身につける。
The class code for Google Classroom can be found on the Web site of
the School of Engineering:
https://www.eng.tohoku.ac.jp/edu/syllabus-ug.html (JP Only)
1. Purpose
Learn the basics of physical chemistry and chemical reactions through exercises.
2. Overview
Exercises on structural theory (quantum chemistry, chemical bond theory), physical property theory (organic molecules, gases), equilibrium theory (thermodynamics, solution chemistry, change of state) and reactions (kinetics, organic reactions).
3. Goals
Through exercises, students will learn and confirm the fundamentals and acquire knowledge that will lead to further application.
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１． 目的
化学の諸原理を確立し敷衍する物理化学の基礎を学ぶための第一歩として，本講義では，物質の状態変化および化学変化についての熱力学的及び速度論的な理解の仕方を学習する。そこで基礎となる概念と，定量的な手法の習得を目的とする。
２．概要
状態変化の扱い方を学ぶとともに，熱力学諸法則，熱力学的状態量（エンタルピー，エントロピー，自由エネルギー，化学ポテンシャル等）の定義とそれらの定量的表現法，さらには，具体的な応用についても学習する。次に，熱力学的知見の重要な展開として，化学平衡と溶液の諸性質を議論し，最後に，速度論の基礎を学ぶ。
３．達成目標等
この授業では，主に以下のような知識・スキルの修得を目標とする。
・ 物質変化・状態変化に対しての熱力学的理解とその定量的表現。
・ 実際の物質変化・状態変化の解析法とその応用。
・反応速度に関する基礎的理解と定式化及び決定法。
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1. Objective
Physical chemistry is a base of chemical principles to describe wide variety of chemical phenomena. To learn the basics of physical chemistry, understanding in the physical states of matters and chemical reaction in terms of thermodynamics and chemical kinetics is of particular importance. This course aims to deepen understanding in those concepts and quantitative description.
2. Summary
First, this course provides students with basic knowledge such as phase transition, principles of thermodynamics, definition and usage of state functions (enthalpy, entropy, free energy, and chemical potential), and their application to real systems. Second, thermodynamics of properties of solutions and chemical equilibrium. Third, chemical kinetics.
3. Goal
Students will acquire knowledge and develop the skills on the following matters:
1) Understanding and description of phase transition and chemical reaction by thermodynamics.
2) Quantitative description and analysis of such changes in real systems.
3) Description of chemical kinetics by rate law and kinetic analysis.
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１．目的
関連する応用化学・有機化学・バイオ工学の講義より得られた知識を各種の問題に応用することにより、多面的かつ有機的に理解を深める。
２．概要
有機化学および生物工学関連の講義により得られた知識をもとに、有機分子、生体分子の構造決定・機能解析に用いられる方法論の基礎的な考え方、応用について演習する。界面化学および材料物性化学の講義により得られた知識をもとに、無機化学関連の構造化学、物性評価の問題の演習をする。
３．達成目標等
化学系研究で必須の、各種測定機器より得られる化合物・生体分子に関するスペクトルを解釈して、分子構造・機能に関する情報を得ることができる。無機化学の基本的な考え方を理解し、応用することができる。
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1. Purpose
By solving exercises in applied chemistry, organic chemistry, and biotechnology, students gain a further understanding of the knowledge obtained from related lectures.
2. Overview
Based on the knowledge obtained through lectures related to organic chemistry and biotechnology, students practice fundamental concepts and applications of methodologies for structure determination and functional analysis of organic molecules and biomolecules. Based on the knowledge obtained through lectures related to surface chemistry and material physical chemistry, students practice inorganic chemistry-related structural chemistry and physical property evaluation problems.
3. Learning Goals
Students will interpret spectra of compounds and biomolecules obtained from various measuring instruments, which are essential in chemical research, and obtain information on molecular structures and functions. Students will understand the basic concepts of inorganic chemistry and apply it.
物理化学を習得するにあたっては、実際に問題を解いてみる演習が必要である。本講義では、他の学部講義で扱われた物理化学全般に関する演習問題を各自解き、解説を通して理解を深める。内容は、量子論と化学結合、化学熱力学、反応速度論、分光学である。講義時間中に学生は自分の解答を解説して、教員とともに議論する場を設ける。使用する演習問題は、主に国内主要大学の大学院入試問題の過去問レベルを対象とする。
Sufficient exercise is indispensable for students to acquire solid understanding of physical chemistry, In this class, students are asked to solve problems in the field of quantum chemistry, chemical bonds, thermodynamics, reaction kinetics, and spectrosocpies. They are also asked to explain their solutions in the class. The problems in the class are mostly taken from past examinations of graduate courses in main Japanese unversities.
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１．目的
無機化学は、元素およびその化合物の反応・構造・機能を扱う分野である。本講義は、無機構造論および反応論における基礎的な概念を学び、先端材料工学・環境・資源・エネルギーなどの諸問題と無機化学との大きな関わりを理解させることを目的とする。
２．概要
本講義は無機化学反応論基礎として、（I）固体の化学結合と構造論、（II）溶液内の酸塩基反応・酸化還元反応・錯体形成反応および錯体構造論を取り上げ、化学平衡論を主体とした化学反応理解のアプローチ法を学ぶ。無機化合物各論を、先端技術・資源・環境における様々な元素とその化合物の利用と輪廻という観点から学ぶ。
３．達成目標等
この授業では主に以下のような能力を習得することを達成目標にする。
・簡単な酸塩基反応と酸化還元反応（電気化学）の平衡論的取り扱いと平衡定数に基づく反応解析ができる。
・量子論による化学結合および分子の理解から進んで、無機物質の示す諸性質を化学結合論と構造論を基礎として説明できる。
・元素・化合物の横断的性質（周期律）を理解し、典型的な数例について、材料の機能発現と無機物質系の化学、および地球環境における元素・化合物の循環を定性的に説明できる。
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Fundamental principles of inorganic chemistry will be discussed in this course. Topics to be discussed will include atomic structure, structure and bonding in solids, acid-base reactions, oxidation-reduction, and coordination compounds.
Where appropriate, emphasis will be placed on the mechanisms of reactions and the relationship between structure and reactivity.
量子化学計算に基づくポテンシャルエネルギー曲面の解析は、分子の安定構造、分子の熱力学的および速度論的な安定性、化学反応の遷移状態における分子構造とその安定性、反応途中における分子構造の変化の様子など、様々な知見を与える。近年では、これらの解析を組み合わせて、未知の化学反応を予測することも可能である。本講義では、これらの解析を実施する際に用いられる理論および計算法について学習する。具体的には、ポテンシャルエネルギー曲面の計算に関するレビューから始めて、関数極小化の数値アルゴリズム、ポテンシャルエネルギー曲面のテーラー展開と2次までの微係数の取り扱い、安定構造と遷移状態構造の最適化アルゴリズム、固有反応座標（いわゆる反応経路）とその計算アルゴリズム、安定構造と遷移状態構造の自由エネルギー変化に基づく速度論解析、反応経路の自動探索アルゴリズムと化学反応予測、異なる電子状態間の無輻射失活経路の計算法、複数の電子励起状態が関与する反応機構の解析法、原子核の運動量効果とその反応機構への影響について、それぞれ学習する。これらの学習を通して、量子化学計算に基づく反応機構解析と反応予測について、最先端アルゴリズムまで含めて全容を把握する。
The analysis of potential energy surfaces based on quantum chemical calculations provides various insights into the stable structure of molecules, the thermodynamic and kinetic stability of molecules, the molecular structure and its stability in the transition state of a chemical reaction, and how the molecular structure changes during a reaction. In recent years, these analyses can be combined to predict unknown chemical reactions. In this lecture, students will learn the theory and computational methods used to perform these analyses. Specifically, we will begin with a review of the calculation of potential energy surfaces, followed by explanations of a numerical algorithm for function minimization, Taylor expansion of potential energy surfaces and treatment of differential coefficients up to second order, optimization algorithms for stable and transition state structures, intrinsic reaction coordinates (so-called reaction pathways) and their calculation algorithm, kinetic analysis based on free energy changes of stable and transition state structures, automated reaction pathway search algorithms and chemical reaction prediction, calculation methods for non-radiative deactivation pathways between different electronic states, analysis methods for reaction mechanisms involving multiple electronic states, and nuclear momentum effects and their impact on reaction mechanisms. Through these studies, students will gain a comprehensive understanding of reaction mechanism analysis and reaction prediction based on quantum chemical calculations, including state-of-the-art algorithms.
量子化学計算に基づくポテンシャルエネルギー曲面の解析は、分子の安定構造、分子の熱力学的および速度論的な安定性、化学反応の遷移状態における分子構造とその安定性、反応途中における分子構造の変化の様子など、様々な知見を与える。近年では、これらの解析を組み合わせて、未知の化学反応を予測することも可能である。本講義では、これらの解析を実施する際に用いられる理論および計算法について学習する。具体的には、ポテンシャルエネルギー曲面の計算に関するレビューから始めて、関数極小化の数値アルゴリズム、ポテンシャルエネルギー曲面のテーラー展開と2次までの微係数の取り扱い、安定構造と遷移状態構造の最適化アルゴリズム、固有反応座標（いわゆる反応経路）とその計算アルゴリズム、安定構造と遷移状態構造の自由エネルギー変化に基づく速度論解析、反応経路の自動探索アルゴリズムと化学反応予測、異なる電子状態間の無輻射失活経路の計算法、複数の電子励起状態が関与する反応機構の解析法、原子核の運動量効果とその反応機構への影響について、それぞれ学習する。これらの学習を通して、量子化学計算に基づく反応機構解析と反応予測について、最先端アルゴリズムまで含めて全容を把握する。
The analysis of potential energy surfaces based on quantum chemical calculations provides various insights into the stable structure of molecules, the thermodynamic and kinetic stability of molecules, the molecular structure and its stability in the transition state of a chemical reaction, and how the molecular structure changes during a reaction. In recent years, these analyses can be combined to predict unknown chemical reactions. In this lecture, students will learn the theory and computational methods used to perform these analyses. Specifically, we will begin with a review of the calculation of potential energy surfaces, followed by explanations of a numerical algorithm for function minimization, Taylor expansion of potential energy surfaces and treatment of differential coefficients up to second order, optimization algorithms for stable and transition state structures, intrinsic reaction coordinates (so-called reaction pathways) and their calculation algorithm, kinetic analysis based on free energy changes of stable and transition state structures, automated reaction pathway search algorithms and chemical reaction prediction, calculation methods for non-radiative deactivation pathways between different electronic states, analysis methods for reaction mechanisms involving multiple electronic states, and nuclear momentum effects and their impact on reaction mechanisms. Through these studies, students will gain a comprehensive understanding of reaction mechanism analysis and reaction prediction based on quantum chemical calculations, including state-of-the-art algorithms.
多くの有機・無機・生体の化学反応は溶液内で起こり、それらの反応を分子レベルで理解するには、反応する分子を取り巻くたくさんの溶媒分子の役割を把握する見方が重要である。気相中の化学反応と溶液内の反応の違いは、溶媒効果によって生じるためである。本講義ではその溶媒効果の捉え方について、統計力学的な観点から解説する。溶媒効果には、動的な側面と静的（平衡論的）な側面が存在することを示し、拡散やブラウン運動、自由エネルギーなどの概念を解説する。さらに、それらをもとに典型的な溶液内反応(拡散律速反応、反応障壁越えを含む活性化反応、電子移動反応など)の速度論を解説する。
Many organic, inorganic or biological reactions take place in solutions. During the reactions, solute molecules change their states in an environment surrounded by many solvent molecules. The difference between chemical reactions in gas phase and in solutions is attributed to the role of solvent. To understand the mechanism of reactions in solutions, therefore, we need to treat the role of solvent molecules from microscopic viewpoints. We classify the role of solvent into dynamical and static (equilibrium) aspects, and then deal with fundamental concepts of statistical mechanics, including diffusion, Brownian motion, and free energy. We further discuss mechanisms and kinetics of typical chemical reactions in solutions, such as diffusion-limited reactions, barrier crossing in solutions, and electron transfer.
物理化学のなかでも、広い化学者にとって実用性の大きい群論と量子化学に関して、演習形式で理解を深める。群論は物質の対称性を扱う上で強力な手法であるが、把握する際には実際に自分で手を動かしてみることが不可欠といってよい。この授業では主として点群を丁寧に説明し、それに関する演習問題を解いてもらうことで理解を確実にする。
量子化学の演習は、Gaussianプログラムを使用して行う。毎回の講義では、分子の電子状態の説明を行い、それに基づいてGaussianを実際に用いて量子化学計算の演習問題を実施する。Gaussianの実行環境は、本学サイバーサイエンスセンターを使用する。
群論・量子化学ともに毎回演習問題を出し、それを各自解いて次回に提出する。次回の講義の初めにその解説をして、場合によって討論を行う。
This course treats exercises about two topics of physical chemistry, (i) application of group theory to molecular symmetry and (ii) quantum chemical calculations. These two topics are chosen because they are particularly useful in various areas of chemistry and because exercise is indispensable to acquiring the understanding.
(i) The group theory is quite powerful to understand the symmetry of molecules and materials. This course focuses on point groups and asks the students to solve problems in every class.
(ii) The exercise of quantum chemical calculations is performed using Gaussian, one of the most widely used quantum chemical calculation suites. The course consists of lectures on the basis of quantum chemical calculations and application of the basic knowledge to practical Gaussian calculations. The students use the Cyberscinece Center, Tohoku University, for the Gaussian calculations.