物理化学

冬に使う使い捨てカイロは、袋を開けると温かくなります。中の鉄粉が空気中の酸素と反応し、酸化鉄(さび)になるときに熱を出すからです。東京都の資料によると、水と塩類は鉄がさびる速さを上げ、活性炭は空気中の酸素を集めます。

鉄くぎがゆっくりさびても、手に熱は感じません。カイロは細かい鉄粉に水・塩類・活性炭を組み合わせ、同じ反応を速く進めて、熱を感じられるようにしています。外袋は空気を遮り、使う前に反応が進まないようにしています。

化学熱力学では、反応で出入りする熱と、物質の散らばりやすさ(エントロピー)を組み合わせて、反応がどちらへ進むかを計算します。高校で学ぶ反応熱の続きにあたり、化学平衡や電池の電圧も同じ考え方で説明できます。

原子や分子の中の電子は、決まった場所にある粒ではなく、雲のように広がった「軌道」にいると考えます。量子化学は、量子力学を使って電子の軌道とエネルギーを計算し、分子の形や反応のしやすさを説明する分野です。

京都大学の福井謙一さんは 1950 年代、反応のしやすさを決める 2 つの軌道に注目しました。分子の中でいちばん外側にいる電子の軌道と、電子が最も入りやすい空の軌道です。この 2 つをフロンティア軌道と名づけましたが、発表した当初はほとんど注目されませんでした。

1960 年代の半ば、福井さんとアメリカのホフマンは、それぞれ別に大切なことに気づきます。軌道の対称性を考えると、説明の難しかった反応の進み方が説明できるのです。2 人は 1981 年のノーベル化学賞を受けています。日本人で初めてのノーベル化学賞です。

ノーベル財団の発表は、よい理論は実験する人の道しるべになり、時間を節約させると述べています。2 人の考え方は、新しい薬を作る化学者にも使われています。

多くの大学では、1 年の基礎物理化学から始め、2 年で量子化学と化学熱力学、3 年で反応速度論などを学びます。微分積分や線形代数を使うので、数学の授業と並行して少しずつ慣れていきます。科目の名前や順番は大学によって異なります。

学生実験では、反応で出る熱を測ったり、液の色の変化を分光光度計で追って反応の速さを求めたりします。測った数字をグラフにし、式に当てはめて意味を考えるのが、この分野の基本の作業です。

物理化学の力は、電池や燃料電池、太陽電池、半導体の材料の開発で生きます。分子の性質をコンピュータで計算する計算化学の技術者や、分析装置のメーカーで装置を開発する人もいます。