紹介

「化学とは何でしょうか？」科学には、化学だけでなく、物理学、生物学、天文学、地質学など、いろいろな分野があります。同じ「科学」の中で、化学と他のサイエンスとの違うところは、「化学は物質を扱う」という点です。化学はすべての物質を「原子、分子」の段階にまで還元して研究する科学なのです。
本書では、その化学がどのように生まれ、発展してきたのか。錬金術と呼ばれるものがどのように化学の発展に寄与してきたのか。化学者たちがどのような法則・定理をつくってきたのかを丁寧に解説し、量子化学、実験化学、ゲノムが開く生命化学の話へとつないでいきます。




目次


プロローグ　化学の歴史は「ひとの歴史」そのもの
第1章　なぜ古代の化学は観念的だったのか？
第2章　魔女が跋扈した裏に隠された中世の化学
第3章　錬金術が化学を成長させた
第4章　大航海・産業革命時代の化学
第5章　光法則・定理が大爆発した〈化学の時代〉
第6章　量子理論を包み込んだ新しい化学
第7章　平和か戦争か、実験化学の時代
第8章　ゲノムが開く生命化学

目次

プロローグ　化学の歴史は「ひとの歴史」そのもの
　この世のすべての「物質」を扱うのが化学のしごとです

第1章　なぜ古代の化学は観念的だったのか？
　1-1　この世界は「四元素」でできていると考えた－観察・実験の姿勢
　1-2　死と痛みから逃れるための迷信、そして科学へ―薬学とトランス状態
　1-3　化学的な操作で「金属」をとり出す―青銅の精錬
　1-4　ヒッタイトから日本のたたら製鉄まで－鉄の製錬
　かがくの窓　化学の常識も「疑問符」だらけ？


第2章　魔女が跋扈した裏に隠された中世の化学
　2-1　古代化学を継承したのはアラビア人だった－アルコール、アルカリ
　2-2　独自の発達を遂げたインドの科学－極微と虚空
　2-3　なぜ、中世中国の化学は遅れをとったのか？―陰陽五行説
　2-4　宗教が薬物・麻薬で人心を操作―シャーマンと巫女
　2-5　なぜ、軍隊が「覚せい剤」を若者に利用したのか？－アヘンとヒロポン
　2-6　魔女裁判のホントの理由は「細菌」にあった？－麦角アルカロイド
　2-7　人類史は「殺人の歴史」でもあった－ルネサンスの光と闇
　かがくの窓　犠牲を伴った「中世の化学物質」


第3章　錬金術が化学を成長させた
　3-1　卑金属を貴金属に変えるマジック－錬金術の時代
　3-2　哲学的な意味も込められていた錬金術－賢者の石
かがくの窓　ニュートンも錬金術師だった？
　3-3　エジプトからアラビア、そしてヨーロッパへ伝搬―錬金術の歴史
　3-4　実験器具・試料を生み出した錬金術―化学の推進①
　3-5　金属の精製・蒸留・昇華法などの技術を蓄積－化学の推進②
　かがくの窓　昔の実験器具は原始的に見えて合理的


第4章　大航海・産業革命時代の化学
　4-1　なぜ、新しい交易ルートを必要としたのか？－金と香料を求めて
　4-2　産業革命は第 2 のエネルギー革命だった－脱・手作業
　4-3　『プリンキピア』は科学時代の幕開けを示す－ニュートンの法則
　4-4　一度罹ると、二度は罹らない？－ワクチン誕生
　4-5　世界に先んじた華岡青洲の全身麻酔－江戸の医療革命
　かがくの窓　大仏様で公害が起きた？


第5章　光法則・定理が大爆発した〈化学の時代〉
　5-1　「定量的」化学をもたらした秤量器－定性・定量
　5-2　ラボアジェの質量保存の法則－定量化が生んだ成果
　5-3　プルーストの定比例の法則－質量比は一定
　5-4　ドルトンの倍数比例の法則と原子説－簡単な整数比
　5-5　ゲイ・リュサックの気体反応の法則－化合物の反応
　5-6　教科書ではわかりにくい「原子、分子、元素の違い」は？－素朴な疑問
　5-7　メンデレーエフの「空欄」のアイデア－周期表の発明
　5-8　元素Aは元素Bに変わりうるのか？－放射性元素と錬金術
　5-9　原子はどんな形をしているのか？－初期の原子モデル


第6章　量子理論を包み込んだ新しい化学
　6-1　すべての物質は「粒子性と波動性」を併せ持つ－量子理論の指摘
　6-2　「量子化学」は量子理論をとり入れた化学－不確定性原理
　6-3　原子をうまく表わすモデルをつくれないか？－現代的原子構造論
　6-4　原子と原子は、どうやって結合するの？－分子軌道法


第7章　平和か戦争か、実験化学の時代
　7-1　天使の化学反応か、悪魔の化学反応か？－ハーバー・ボッシュ法
　7-2　なぜ、抗生物質は細菌に効くのか？－ペニシリンの効用
　7-3　クモの糸より細く、鉄よりも強い－合成高分子化学
　7-4　物質の構造をどう決めるか？－天然物化学の発展
　7-5　1分子のクルマが自在に走る－超分子化学


第8章　ゲノムが開く生命化学
　8-1　「生命体」とは結局なんなのか？－DNAの二重らせん
　8-2　ゲノム編集と遺伝子組み換えはどう違う？－キメラの誕生
　8-3　免疫が働くしくみを解明した歴史－抗原ー抗体反応
　8-4　人類が手に入れた新しいワクチン－mRNAワクチン
　8-5　危ぶまれる軍事利用と生命倫理－人造生命体

紹介

化学には有機化学、無機化学、高分子化学、生化学、分析化学など、いろいろな領域があります。そのような中にあって、量子化学は化学の全ての領域にまたがった、化学の根本を明らかにしようとする分野といえます。量子化学とは、「量子力学」の諸原理を化学の諸問題に適用し、原子と電子の振る舞いから分子構造や物性、あるいは反応性を理論的に説明づける学問分野です。本書では、化学を専門とする著者が、今後ますます重要性の増してくる量子化学について、その概念を誰もが理解できるように解説した入門書です。

目次

第Ⅰ部　量子力学
第1章　量子化学とは
第2章　直線上の粒子運動

第Ⅱ部　量子化学と原子・分子構造
第3章　原子構造
第4章　化学結合
第5章　分子軌道法と結合エネルギー
第6章　混成軌道と共役系

第Ⅲ部 量子化学と分子の物性・反応性
第7章　共役系の分子軌道
第8章　分子の物性と分子軌道
第9章　分子の発光、発色と分子軌道
第10章　熱反応と光反応

目次

第Ⅰ部　量子力学
第1章　量子化学とは
1-1　ニュートン力学で解決できない現象を解決する― 量子化学とは
1-2　微粒子はとびとびの値しかとることができない― 量子とは
1-3　２つの値を同時に正確に決定することはできない ― ハイゼンベルクの不確定性原理
1-4　電子の位置は確率でしか表すことができない― 存在確率
1-5　微粒子は量子の性質と波の性質の両方を持っている― 粒子性と波動性
1-6　電子の性質、挙動を方程式で表す― シュレーディンガー方程式
第2章　直線上の粒子運動
2-1　量子力学の基本の基本 ― 直線上の粒子運動
2-2　量子数が出てくる理由を見てみよう― 量子数の出現
2-3　波動関数の2乗は粒子の存在確率を表す― 波動関数の形と存在確率
2-4　量子化学における最重要事項 ― エネルギーの量子化
2-5　原子構造を考える上での基礎事項 ― 立体空間の粒子運動と極座標

第Ⅱ部　量子化学と原子・分子構造
第3章　原子構造
3-1　全ての物質を作る基本的な微粒子 ― 原子構造
3-2　現代の原子モデルができたのは量子力学のおかげ ― 原子モデルの変遷
3-3　原子を構成する電子はどのような状態にいるのか― 電子の軌道
3-4　各軌道は固有のエネルギーを持つ― 軌道のエネルギー
3-5　軌道は個性的な形をしている― 軌道の形
3-6　電子がどの軌道にどのような状態で入るか― 電子配置
第4章　化学結合
4-1　原子は化学結合によって分子を作る― 化学結合とは
4-2　原子軌道の重なりによって生じる結合 ― 共有結合
4-3　分子軌道計算の基本は＋－×÷である― 分子軌道法の計算
4-4　エネルギー極小を求めるのは微分である― 変分法
4-5　軌道エネルギーこそが量子化学の真髄 ― 軌道関数とエネルギー
第5章　分子軌道法と結合エネルギー
5-1　結合を作る結合性軌道と結合をこわす反結合性軌道 ― 結合性軌道と反結合性軌道
5-2　原子間の距離が変化すると結合エネルギーも変化する― 結合距離とエネルギー
5-3　電子が入った軌道によって結合エネルギーが変化する― 電子配置と結合エネルギー
5-4　回転可能で強いσ結合と回転不可能で弱いπ結合 ― σ結合とπ結合
5-5　一重結合、二重結合、三重結合 ― Ｆ－Ｆ、Ｏ＝Ｏ、Ｎ≡Ｎの結合
第6章　混成軌道と共役系
6-1　電子が作る合挽きハンバーグ ― 混成軌道とは
6-2　最も基本的な混成軌道 ― sp3混成軌道
6-3　二重結合、三重結合を作る混成軌道 ― sp2混成軌道・sp混成軌道
6-4　一重結合と二重結合の中間 ― 共役系の結合状態
6-5　３個、５個、７個など奇数個の炭素が作る共役系 ― 奇数炭素系の共役化合物

第Ⅲ部 量子化学と分子の物性・反応性
第7章　共役系の分子軌道
7-1　分子軌道法の基礎 ― エチレンの分子軌道とエネルギー
7-2　共役系の分子軌道法の基礎 ― ブタジエンの分子軌道とエネルギー
7-3　軌道関数には独特な対称性がある― 軌道関数・節・対称性・形
7-4　共役系が長くなるとエネルギーの間隔が狭くなる― 共役系の長さと軌道エネルギー
7-5　シクロブタジエンとベンゼンの分子軌道 ― 環状共役系の分子軌道
第8章　分子の物性と分子軌道
8-1　共役系はなぜ安定なのか？― 分子の安定性と非局在化エネルギー
8-2　π電子はどこにいるのか？― 分子のイオン性と電子密度
8-3　何重結合と考えたらよいのか？― 結合距離と結合次数
8-4　ラジカルは分子のどこに反応するのか？― ラジカル反応性と自由原子価
8-5　芳香族とは何だろう？― 芳香族性とヒュッケル則
8-6　芳香族化合物の性質と反応性 ― 芳香族性と分子の挙動
第9章　分子の発光、発色と分子軌道
9-1　分子が光るのはなぜだろう？― 発光の原理
9-2　水銀灯やネオンサインが光る原理 ― 原子と電気の相互作用
9-3　有機ＥＬは次世代のテレビといわれている― 有機ＥＬが光る原理
9-4　発光と発色は全く異なる現象 ― バラが赤い原理
9-5　漂白剤はなぜ色を無くすのか？― 光吸収と脱色の原理
第10章　熱反応と光反応
10-1　加熱しても光照射しても化学反応は起こる― 熱反応と光反応の違い
10-2　原子、分子は最も外側の軌道を使って反応する― フロンティア軌道理論
10-3　鎖状化合物が環状化合物に変化する反応 ― 閉環反応とフロンティア軌道
10-4　環の途中がつながって２個の環になる反応 ― 縮環反応とフロンティア軌道
10-5　水素が炭素の間を移動する反応 ― 水素移動反応とフロンティア軌道
付録の章
1　平面上の粒子運動
2　平面上を動く粒子の解析
3　波動関数とエネルギー
4　関数の表現
5　エネルギーと縮重
6　三次元空間の粒子運動と極座標

紹介

なぜ水素はHではなく、H2になるのだろう?ヘリウムは、なぜHe2にならないのだろう?化学反応のすべての鍵は、電子にある。パソコンで実際に確かめながら理解できる、現代化学の最先端・量子化学の、最良の入門書。高校化学の知識でOK。

目次

第1章 原子の成り立ち
第2章 原子から分子へ
第3章 分子軌道法から求められるもの
第4章 分子の構造を知る
第5章 電子の分布が分子の性質を決める
第6章 分子の色を知る
第7章 化学反応を予測する
第8章 WinMOPACを用いた分子軌道法計算

紹介

化学には有機化学、無機化学、高分子化学、生化学、分析化学など、いろいろな領域があります。そのような中にあって、量子化学は化学の全ての領域にまたがった、化学の根本を明らかにしようとする分野といえます。量子化学とは、「量子力学」の諸原理を化学の諸問題に適用し、原子と電子の振る舞いから分子構造や物性、あるいは反応性を理論的に説明づける学問分野です。本書では、化学を専門とする著者が、今後ますます重要性の増してくる量子化学について、その概念を誰もが理解できるように解説した入門書です。

目次

第Ⅰ部　量子力学
第1章　量子化学とは
第2章　直線上の粒子運動

第Ⅱ部　量子化学と原子・分子構造
第3章　原子構造
第4章　化学結合
第5章　分子軌道法と結合エネルギー
第6章　混成軌道と共役系

第Ⅲ部 量子化学と分子の物性・反応性
第7章　共役系の分子軌道
第8章　分子の物性と分子軌道
第9章　分子の発光、発色と分子軌道
第10章　熱反応と光反応

目次

第Ⅰ部　量子力学
第1章　量子化学とは
1-1　ニュートン力学で解決できない現象を解決する― 量子化学とは
1-2　微粒子はとびとびの値しかとることができない― 量子とは
1-3　２つの値を同時に正確に決定することはできない ― ハイゼンベルクの不確定性原理
1-4　電子の位置は確率でしか表すことができない― 存在確率
1-5　微粒子は量子の性質と波の性質の両方を持っている― 粒子性と波動性
1-6　電子の性質、挙動を方程式で表す― シュレーディンガー方程式
第2章　直線上の粒子運動
2-1　量子力学の基本の基本 ― 直線上の粒子運動
2-2　量子数が出てくる理由を見てみよう― 量子数の出現
2-3　波動関数の2乗は粒子の存在確率を表す― 波動関数の形と存在確率
2-4　量子化学における最重要事項 ― エネルギーの量子化
2-5　原子構造を考える上での基礎事項 ― 立体空間の粒子運動と極座標

第Ⅱ部　量子化学と原子・分子構造
第3章　原子構造
3-1　全ての物質を作る基本的な微粒子 ― 原子構造
3-2　現代の原子モデルができたのは量子力学のおかげ ― 原子モデルの変遷
3-3　原子を構成する電子はどのような状態にいるのか― 電子の軌道
3-4　各軌道は固有のエネルギーを持つ― 軌道のエネルギー
3-5　軌道は個性的な形をしている― 軌道の形
3-6　電子がどの軌道にどのような状態で入るか― 電子配置
第4章　化学結合
4-1　原子は化学結合によって分子を作る― 化学結合とは
4-2　原子軌道の重なりによって生じる結合 ― 共有結合
4-3　分子軌道計算の基本は＋－×÷である― 分子軌道法の計算
4-4　エネルギー極小を求めるのは微分である― 変分法
4-5　軌道エネルギーこそが量子化学の真髄 ― 軌道関数とエネルギー
第5章　分子軌道法と結合エネルギー
5-1　結合を作る結合性軌道と結合をこわす反結合性軌道 ― 結合性軌道と反結合性軌道
5-2　原子間の距離が変化すると結合エネルギーも変化する― 結合距離とエネルギー
5-3　電子が入った軌道によって結合エネルギーが変化する― 電子配置と結合エネルギー
5-4　回転可能で強いσ結合と回転不可能で弱いπ結合 ― σ結合とπ結合
5-5　一重結合、二重結合、三重結合 ― Ｆ－Ｆ、Ｏ＝Ｏ、Ｎ≡Ｎの結合
第6章　混成軌道と共役系
6-1　電子が作る合挽きハンバーグ ― 混成軌道とは
6-2　最も基本的な混成軌道 ― sp3混成軌道
6-3　二重結合、三重結合を作る混成軌道 ― sp2混成軌道・sp混成軌道
6-4　一重結合と二重結合の中間 ― 共役系の結合状態
6-5　３個、５個、７個など奇数個の炭素が作る共役系 ― 奇数炭素系の共役化合物

第Ⅲ部 量子化学と分子の物性・反応性
第7章　共役系の分子軌道
7-1　分子軌道法の基礎 ― エチレンの分子軌道とエネルギー
7-2　共役系の分子軌道法の基礎 ― ブタジエンの分子軌道とエネルギー
7-3　軌道関数には独特な対称性がある― 軌道関数・節・対称性・形
7-4　共役系が長くなるとエネルギーの間隔が狭くなる― 共役系の長さと軌道エネルギー
7-5　シクロブタジエンとベンゼンの分子軌道 ― 環状共役系の分子軌道
第8章　分子の物性と分子軌道
8-1　共役系はなぜ安定なのか？― 分子の安定性と非局在化エネルギー
8-2　π電子はどこにいるのか？― 分子のイオン性と電子密度
8-3　何重結合と考えたらよいのか？― 結合距離と結合次数
8-4　ラジカルは分子のどこに反応するのか？― ラジカル反応性と自由原子価
8-5　芳香族とは何だろう？― 芳香族性とヒュッケル則
8-6　芳香族化合物の性質と反応性 ― 芳香族性と分子の挙動
第9章　分子の発光、発色と分子軌道
9-1　分子が光るのはなぜだろう？― 発光の原理
9-2　水銀灯やネオンサインが光る原理 ― 原子と電気の相互作用
9-3　有機ＥＬは次世代のテレビといわれている― 有機ＥＬが光る原理
9-4　発光と発色は全く異なる現象 ― バラが赤い原理
9-5　漂白剤はなぜ色を無くすのか？― 光吸収と脱色の原理
第10章　熱反応と光反応
10-1　加熱しても光照射しても化学反応は起こる― 熱反応と光反応の違い
10-2　原子、分子は最も外側の軌道を使って反応する― フロンティア軌道理論
10-3　鎖状化合物が環状化合物に変化する反応 ― 閉環反応とフロンティア軌道
10-4　環の途中がつながって２個の環になる反応 ― 縮環反応とフロンティア軌道
10-5　水素が炭素の間を移動する反応 ― 水素移動反応とフロンティア軌道
付録の章
1　平面上の粒子運動
2　平面上を動く粒子の解析
3　波動関数とエネルギー
4　関数の表現
5　エネルギーと縮重
6　三次元空間の粒子運動と極座標

紹介

「化学とは何でしょうか？」科学には、化学だけでなく、物理学、生物学、天文学、地質学など、いろいろな分野があります。同じ「科学」の中で、化学と他のサイエンスとの違うところは、「化学は物質を扱う」という点です。化学はすべての物質を「原子、分子」の段階にまで還元して研究する科学なのです。
本書では、その化学がどのように生まれ、発展してきたのか。錬金術と呼ばれるものがどのように化学の発展に寄与してきたのか。化学者たちがどのような法則・定理をつくってきたのかを丁寧に解説し、量子化学、実験化学、ゲノムが開く生命化学の話へとつないでいきます。




目次


プロローグ　化学の歴史は「ひとの歴史」そのもの
第1章　なぜ古代の化学は観念的だったのか？
第2章　魔女が跋扈した裏に隠された中世の化学
第3章　錬金術が化学を成長させた
第4章　大航海・産業革命時代の化学
第5章　光法則・定理が大爆発した〈化学の時代〉
第6章　量子理論を包み込んだ新しい化学
第7章　平和か戦争か、実験化学の時代
第8章　ゲノムが開く生命化学

目次

プロローグ　化学の歴史は「ひとの歴史」そのもの
　この世のすべての「物質」を扱うのが化学のしごとです

第1章　なぜ古代の化学は観念的だったのか？
　1-1　この世界は「四元素」でできていると考えた－観察・実験の姿勢
　1-2　死と痛みから逃れるための迷信、そして科学へ―薬学とトランス状態
　1-3　化学的な操作で「金属」をとり出す―青銅の精錬
　1-4　ヒッタイトから日本のたたら製鉄まで－鉄の製錬
　かがくの窓　化学の常識も「疑問符」だらけ？


第2章　魔女が跋扈した裏に隠された中世の化学
　2-1　古代化学を継承したのはアラビア人だった－アルコール、アルカリ
　2-2　独自の発達を遂げたインドの科学－極微と虚空
　2-3　なぜ、中世中国の化学は遅れをとったのか？―陰陽五行説
　2-4　宗教が薬物・麻薬で人心を操作―シャーマンと巫女
　2-5　なぜ、軍隊が「覚せい剤」を若者に利用したのか？－アヘンとヒロポン
　2-6　魔女裁判のホントの理由は「細菌」にあった？－麦角アルカロイド
　2-7　人類史は「殺人の歴史」でもあった－ルネサンスの光と闇
　かがくの窓　犠牲を伴った「中世の化学物質」


第3章　錬金術が化学を成長させた
　3-1　卑金属を貴金属に変えるマジック－錬金術の時代
　3-2　哲学的な意味も込められていた錬金術－賢者の石
かがくの窓　ニュートンも錬金術師だった？
　3-3　エジプトからアラビア、そしてヨーロッパへ伝搬―錬金術の歴史
　3-4　実験器具・試料を生み出した錬金術―化学の推進①
　3-5　金属の精製・蒸留・昇華法などの技術を蓄積－化学の推進②
　かがくの窓　昔の実験器具は原始的に見えて合理的


第4章　大航海・産業革命時代の化学
　4-1　なぜ、新しい交易ルートを必要としたのか？－金と香料を求めて
　4-2　産業革命は第 2 のエネルギー革命だった－脱・手作業
　4-3　『プリンキピア』は科学時代の幕開けを示す－ニュートンの法則
　4-4　一度罹ると、二度は罹らない？－ワクチン誕生
　4-5　世界に先んじた華岡青洲の全身麻酔－江戸の医療革命
　かがくの窓　大仏様で公害が起きた？


第5章　光法則・定理が大爆発した〈化学の時代〉
　5-1　「定量的」化学をもたらした秤量器－定性・定量
　5-2　ラボアジェの質量保存の法則－定量化が生んだ成果
　5-3　プルーストの定比例の法則－質量比は一定
　5-4　ドルトンの倍数比例の法則と原子説－簡単な整数比
　5-5　ゲイ・リュサックの気体反応の法則－化合物の反応
　5-6　教科書ではわかりにくい「原子、分子、元素の違い」は？－素朴な疑問
　5-7　メンデレーエフの「空欄」のアイデア－周期表の発明
　5-8　元素Aは元素Bに変わりうるのか？－放射性元素と錬金術
　5-9　原子はどんな形をしているのか？－初期の原子モデル


第6章　量子理論を包み込んだ新しい化学
　6-1　すべての物質は「粒子性と波動性」を併せ持つ－量子理論の指摘
　6-2　「量子化学」は量子理論をとり入れた化学－不確定性原理
　6-3　原子をうまく表わすモデルをつくれないか？－現代的原子構造論
　6-4　原子と原子は、どうやって結合するの？－分子軌道法


第7章　平和か戦争か、実験化学の時代
　7-1　天使の化学反応か、悪魔の化学反応か？－ハーバー・ボッシュ法
　7-2　なぜ、抗生物質は細菌に効くのか？－ペニシリンの効用
　7-3　クモの糸より細く、鉄よりも強い－合成高分子化学
　7-4　物質の構造をどう決めるか？－天然物化学の発展
　7-5　1分子のクルマが自在に走る－超分子化学


第8章　ゲノムが開く生命化学
　8-1　「生命体」とは結局なんなのか？－DNAの二重らせん
　8-2　ゲノム編集と遺伝子組み換えはどう違う？－キメラの誕生
　8-3　免疫が働くしくみを解明した歴史－抗原ー抗体反応
　8-4　人類が手に入れた新しいワクチン－mRNAワクチン
　8-5　危ぶまれる軍事利用と生命倫理－人造生命体