1 年: 基礎をかためる

多くの大学では、1 年の専門の科目は、物理化学・無機化学・有機化学の基礎と、微分積分や力学です。千葉大学の化学科では、1 年に化学基礎実験・微積分学・力学入門と、基本物理化学・基礎無機化学・基礎有機化学などが並びます。

東京理科大学の化学科では、1 年前期の物理化学 1A で、熱とエネルギーから変化の向きを判断する化学熱力学を学びます。同じ時期の有機化学 1A では、電子の動きを「曲がった矢印」で書く練習が始まり、分子の立体の形も扱います。

日本学術会議の参照基準は、化学の多彩な現象が、周期表にまとめられる電子の構造で統一的に説明できると理解させることを大切にしています。覚えていたことの理由が分かるようになるのが、1 年の学びの中心です。

高校では、水の融点は 0℃ と覚えました。大学の化学熱力学では、なぜ 0℃ なのかを計算で説明します。カギになるのは、出入りする熱を表すエンタルピーと、乱雑さ(散らばり具合)を表すエントロピーです。

氷が融けるときは、まわりから熱を吸います。熱を吸う変化は、それだけを見ると起こりにくい向きです。一方で、水の分子は結晶の決まった位置を離れて動けるようになり、乱雑さが増えます。この 2 つの綱引きをまとめた量が、ギブズエネルギーの変化 ΔG です。

ΔG がマイナスなら、その変化は自然に進みます。氷 1 mol が融けるときに吸う熱は 6.01 kJ、エントロピーの増え方は 22.0 J/K です。この 2 つを使うと、下の図のように、ちょうど 0℃ で ΔG が 0 になります。2 つの数から融点が出てくるのです。

東京理科大学の物理化学 1A も、自由エネルギーの変化を計算できるようになることを目標にしています。決めた温度と圧力で、反応が起こりうるかを判定するためです。同じ考え方で、化学反応が進むかどうかも、実験の前に計算で見通せます。

1 年でつまずきやすいのは、物理化学で数式が急に増えることです。熱力学では、微分や対数を使う式がくり返し出てきます。数学の授業で同じ道具を習う週に、物理化学のノートを見返すと、式の意味がつながって見えてきます。

有機化学では、曲がった矢印や分子の立体の形に慣れるまで時間がかかります。東京理科大学の有機化学 1A のシラバスは、分子の立体の形を実感するには、分子模型を使った学習が効果的だとしています。手で組み立てて回すと、紙の上の構造式が立体として見えてきます。

実験のレポートも、最初は時間がかかります。予想と違う結果が出たときこそ、その理由を考えるのが考察の中心です。分からないことはその週のうちに TA や先生に聞くと、2 年からの専門の実験が楽になります。