物理化学４（第１回）

物理化学１（坂本先生、1年後期） 　　　　　　量子化学入門　原子構造　化学結合 物理化学２（中林先生、1年後期） 　　　　　　熱力学 物理化学３（高柳先生、2年前期） 　　　　　　反応速度論

（参考図書）　アトキンス　物理化学要論　　東京化学同人 　　　　　　　　 アトキンス　物理化学（上，下）　　東京化学同人

（授業の進め方）　パワポ，プリント，演習，小テスト，期末試験

（これまでの物理化学の授業）

授業ノート              h#p://wakasa-­‐lab.chem.saitama-­‐u.ac.jp/note2.html  

授業内容と予定

１．分子の電気的性質（4/11）

２．群論（4/18）

３．演習（4/25）  ４．分子と外部電場の相互作用（１）（5/2）

５．分子と外部電場の相互作用（２）（5/8）

６．分子と外部電場の相互作用（３）（5/15）

７．演習２（5/19）  

８．分子間力１（5/23）

９．分子間力２（5/30）

１０．演習３（6/6）

１１．分子の磁気的性質（１）（6/13）

１２．分子の磁気的性質（２）（6/20）

１３．演習４（6/23）

１４．分光学イントロ，回転スペクトル（6/27）

１５．振動スペクトル（7/4）

試験（7/11）

分子の電気的性質

Ⅰ．分子内の電荷分布

Ⅱ．外部電場との相互作用

Ⅲ．分子間力

A – B

δ+ δ–

•  電気双極子モーメント •  極性分子 •  対称性＝群論

分子そのものの性質

A – B ＋ −

外界との関わり

分子同士

•  永久双極子モーメントの配向

分子の誘電率 分極

＝

＝

•  誘起双極子モーメント •  交流電場と分極

•  双極子-双極子相互作用

Ⅰ．分子内の電荷分布

１．電気双極子モーメント

O H H

水

極性分子

δ+

δ–

δ+

電荷の偏り（部分電荷）がある

点電荷にして電気双極子モーメント

電気双極子モーメント (µ)

−q +q

l

µ = q [C]・l [m]

+e −e

1 Å

ベクトル量

1 Å　= 10-10 m = 0.1 nm e = 1.66 × 10-19 C

µ = 1.6 × 10-19 × 10-10 = 1.6 × 10-29 Cm

= 4.8 D

1 D = 3.34 × 10-30 Cm

Ⅰ．分子内の電荷分布

１．電気双極子モーメント

O H H

水

極性分子

δ+

δ–

δ+

電荷の偏り（部分電荷）がある

点電荷にして電気双極子モーメント −q

+q +q

µ’ µ’

µ

µ = µ’ + µ’ 合成双極子モーメント = 電荷の偏りの指標

θ

大きさは 2 cos θ

1.94 D （実測）

O

H H θ

O-Hの結合モーメント：1.51　D

水分子の構造と双極子モーメント

（クイズ）

（１）

€

∠HOH は何度か？

（２）　たとえば，O-H結合距離が1 Åだとすると， 　　　双極子モーメント（1.94 D）から，水分子は 　　　どれくらい電荷が偏っているか？

制限時間５分

1.94 D （実測）

O

H H θ

O-Hの結合モーメント：1.51　D

2 × 1.51 cos θ = 1.94 θ = 50° （実測値：52°）

水分子の構造と双極子モーメント

（１）

€

∠HOH は何度か？

（２）　たとえば，O-H結合距離が1 Åだとすると， 　　　双極子モーメント（1.94 D）から，どれくらい 　　　電荷は偏っているか？

1 Å × 2 × cos 50° = 1.28　Å

0.128 × 10-9 × q [C] = 1.94 × 3.34 × 10-30

q = 1.94 × 3.34 × 10-30/ (0.128 × 10-9 ) = 5.06 × 10-20 [C] = 0.32 × e

− 0.32 e

+ 0.32 e

1.28 Å

2．極性分子の電荷の偏り（双極子モーメント）

異核２原子分子　（例えばHX）

X χ(X) Δχ µ  /  D r  /  10-­‐9  m q  /  e

F 4.0 1.9 1.83 0.091 0.41

Cl 3.0 0.9 1.11 0.128 0.18

Br 2.8 0.7 0.83 0.142 0.12

I 2.5 0.4 0.45 0.161 0.06

電気陰性度の差（Δχ） = 双極子モーメント （µ / D）

χχ(H) = 2.1

多原子分子は電荷の偏り，構造が複雑 群論，対称性

（プリント）

３. 群論：対称性の系統的理論

分子の構造や軌道の対称性から，性質を導きだす

永久双極子モーメント 各種遷移の可能性 反応性

対称性 グループ分け（点群） 性質

対称操作：ある操作を行ったあと，物体がもとと同じに見える操作

（回転，鏡映，反転，回転鏡映，恒等）

対称要素：対称操作を行う基準（点，線，面）

　対称要素 記号 対称操作

(1)  n 回回転軸 Cn 回転操作

(2)  対称面（鏡面） σ 鏡映操作

(3)  対称心 i 反転操作

(4)  n 回回映軸 Sn 回映操作（回転+鏡映操作）

(5)  恒等 E 恒等操作（何もしない）

（ある分子の対称性を調べる）

その分子がどのような対称要素を持つか

対称操作を行ったとき，見かけが変わらない対称要素を探す

３. 群論：対称性の系統的理論

分子の構造や軌道の対称性から，性質を導きだす

永久双極子モーメント 各種遷移の可能性 反応性

対称性 グループ分け（点群） 性質

対称操作：ある操作を行ったあと，物体がもとと同じに見える操作

（回転，鏡映，反転，回転鏡映，恒等）

対称要素：対称操作を行う基準（点，線，面）

３. 群論：対称性の系統的理論

分子の構造や軌道の対称性から，性質を導きだす

永久双極子モーメント 各種遷移の可能性 反応性

対称性 グループ分け（点群） 性質

対称操作：ある操作を行ったあと，物体がもとと同じに見える操作

（回転，鏡映，反転，回転鏡映，恒等）

対称要素：対称操作を行う基準（点，線，面）

（反応物理化学でやる）

　対称要素 記号 対称操作

(1)  n 回回転軸 Cn 回転操作

(2)  対称面（鏡面） σ 鏡映操作

(3)  対称心 i 反転操作

(4)  n 回回映軸 Sn 回映操作（回転+鏡映操作）

(5)  恒等 E 恒等操作（何もしない）

（ある分子の対称性を調べる）

その分子がどのような対称要素を持つか

対称操作を行ったとき，見かけが変わらない対称要素を探す

(1)  n  回回転軸（Cn）に対する回転操作

= Cn軸の回りに 360° / n だけ回転する

n  回回転軸をもつもの（対称要素Cnをもつ）

O H H

C2 = 180°

C1 = 360° = 恒等

(プリント)

C3 = 120°

C6 = 60° C∞

C5 = 72°

主軸：Cnの中で n が最大のもの

(プリント)