現代の原子構造理論、化学平衡について。

質問

18歳の大学一年です。

先日化学の課題が出たのですが、教科書等をみてもいまいち理解できません。課題の内容は以下の通りです。

１.次の用語を使い、現代の原子構造理論の解説をせよ。
(1)物質波
(2)シュレーディンガー方程式
(3)波動関数

２.次の用語を使い、化学平衡についての解説をせよ。
(1)自由エネルギー
(2)可逆過程
(3)不可逆過程

これらの解説を出来る方、参考になるサイトをご存知の方がいらっしゃられましたらご回答よろしくお願いします。

回答No.2

anthracene · ベストアンサー

２は化学平衡に関して説明せよ、ということは、平衡定数と自由エネルギーの関係式を教科書から探してきて、その辺の解説を読み直してみては？

平衡定数は、出発物質と生成物の間の自由エネルギー（ギブス自由エネルギー）の差（デルタGとか書いてあるでしょう）に依存します。
また、可逆・不可逆反応の意味は分かりますか？
いったりきたりできるのが可逆、一方にしか進行しないのが不可逆です。
平衡定数、ひいては自由エネルギー差から、可逆か不可逆か、という予想をつけることができます。なんで？というのはとりあえず教科書を読み直してみてください。

設問１も２も、物理化学のちゃんとした教科書を読めば、それをまとめてやることで立派な解答ができるはずですよ。

お礼

お礼が遅くなり申し訳ありません。
大変参考になりました。
どうもありがとうございました。

回答No.4

noname#69788

訂正、自由エネルギーの変化が０であれば、化学平衡となり反応がそこで止まっているように見える。

参考書
原子・分子の現代化学
バーロー物理化学

お礼

お礼が遅くなり申し訳ありません。
大変参考になりました。
どうもありがとうございました。

回答No.3

noname#69788

物質は波でもあるので、それを表すのに波動関数を使う。水素原子のシュレディンガー方程式は、厳密に解けるのでそこから導き出される電子軌道を他の原子にも当てはめる。

自由エネルギーが同じならば、化学平衡が成り立つ（反応が止まっているように見える。）

回答No.1

anthracene

１に関してですが、歴史的な流れに沿って、以下のような流れでまとめてみては？

１．ドブロイの物質波の概念、ボーアの古典的な水素原子模型
原子の中で、電子がとりうるエネルギーはとびとびになっているという考え方が提案されました。これによって、水素原子のスペクトルが説明できました。
また、同時期に電子も波としての性質を持つという考え方がドブロイによって提案されています。

ここに光は粒子だよ、という話も付け加えてもよいかもね。そのほうが物質波の話がしやすいかも。

２．シュレーディンガーの理論
先の、電子は波としての性質を持つということから、飛び飛びのエネルギーを持つということが説明できる、ということがシュレーディンガーの波動力学の大本です。
なわとびなどを壁の間に張って、振動させたときに生じる定在波という波は、波の節の数に応じて飛び飛びのエネルギーを持ちます。
シュレーディンガーは、このことと先の物質波の考え方を組み合わせることで、電子を波として記述した方程式（シュレーディンガー方程式）を提案しました。
（本当は、波動関数の時間依存性とか非束縛状態がどうこう、とかあるんですが、化学、それも原子・分子の構造論に限った説明にします。またシュレーディンガー方程式は別に電子の運動に限った式でもないですが・・・これも原子構造論の説明に限定したということでご容赦ください）

３．さて、シュレーディンガー方程式は電子の振る舞いを記述します。
この方程式の解が、波動関数というものです。
なんで波動関数？というかといえば、上述したように、波として電子を扱って構築した理論だからです。またこの解も、定在波の挙動をあらわしています。

波動関数ってなんなの？という疑問に対しては、次のような物理的な意味が付けられました。
すなわち、波動関数の絶対値の平方は、その点で電子を発見する確率に対応する、ということです。

したがって、原子の電子構造を考えるには、以下のプロセスを踏めば良いことになります。
１．原子に対し、シュレーディンガー方程式を立てる
２．解く（笑
３．得られた波動関数から、原子の中で電子がどのように分布しているか、ということが分かる。
さらに、分子の場合なら双極子モーメントはどうなってるか？といった、化学的に有用なデータを理論的に計算してやることも可能。

本当は２の作業が大変で、一般の原子・分子では厳密に解析解は計算できません。結果として、現在にいたるまでさまざまな近似的解法が考案されつづけることとなっています。