物理

日本学術会議の参照基準は、化学を学ぶ学生が身につける 18 の事柄のうち、多くが物理学と関わるとしています。物質の状態と熱、化学熱力学、光や電波を使った測定、原子の構造などです。20 世紀初めの量子力学の発展を受けて、化学結合の本質を理解する量子化学が生まれた、とも述べています。

高校の物理は、様々な運動・波・電気と磁気・原子の 4 つの大項目でできています。化学科でとくに役に立つのは、気体分子の運動と熱、電気と磁気、そして原子の単元です。

下の図は、高校の物理と化学の授業のつながりの例です。千葉大学の化学科では、1 年の専門基礎科目に「力学入門」が入っています。科目の名前や時期は、大学によって異なります。

物理の「気体分子の運動」では、分子の運動エネルギーの平均が、絶対温度に比例することを学びます。ここから、分子の速さ(2 乗の平均の平方根)は √(3RT/M) で表せます。R は気体定数、M はモル質量(kg/mol)です。

空気の主成分の窒素(M = 0.028 kg/mol)で、25 ℃(298 K)の速さを計算すると、約 515 m/s になります。同じ温度の空気中の音の速さ、約 346 m/s よりも速いのです。それでも香りがすぐには部屋中に広がらないのは、分子がほかの分子と次々にぶつかり、向きを変えるからです。

化学ではこの考え方を、反応の速さの説明に使います。反応は、分子どうしがぶつかって起こります。温度が上がると、活性化エネルギーの山を越えられる勢いの分子の割合が増えます。「学ぶために必要な科目 1: 化学」のページで紹介したアレニウスの式は、分子の運動の物理で裏付けられています。

物理で学ぶ熱力学第一法則(内部エネルギーの変化 = 受け取った熱 + された仕事)は、化学ではエンタルピーという量の土台になります。物理の熱力学を化学反応に広げたのが、大学の化学熱力学です。

入試の理科で物理を選ぶかどうかは、大学や入試の方式によって異なります。多くの大学では、1 年に力学などの物理の授業があり、基礎から学べます。まず物理基礎の「力学的エネルギー」と「熱」を確かめてください。エネルギーの考え方は、化学熱力学の入口です。

次に、物理の「気体分子の運動」「電磁誘導と電磁波」「原子」の順に進みます。公式を使ったら、答えの単位と桁を確かめる習慣をつけてください。化学の計算でも、そのまま役に立ちます。

このサイトの高校の「物理」のページと、大学の「物理学」のページもあわせて読んでみてください。物理学科では、同じ熱力学や量子力学を、物理の側から深く学びます。化学の「物理化学」のページでは、物理の道具で化学を説明する分野を紹介しています。

NMR や電子顕微鏡は、日本のメーカーも作っています。2015 年の 1,020 MHz の NMR の開発にも、日本電子のグループ会社が加わりました。物理と化学の両方を学んだ人は、こうした装置を開発したり、使いこなして新しい物質を調べたりする仕事に就いています。