応用化学実験１

物理化学演習：分子のロジカルデザイン
応用化学科 松澤秀則（理論化学）
山本典史（計算化学）

この演習のスケジュールは？

今回の到達目標●

オンラインの化学情報データベースを用いて、分子の熱力学量を調べることができる●

分子を文字列化する SMILES 記法 について、読み解く・記述することができるようになる●

量子化学計算 を用いて、分子の振動状態 や生成エンタルピー を予測できるようになる●

化石燃料 が燃焼したときの 二酸化炭素の発生量を理論的に予測できるようになる●

気候変動の問題 について、科学的根拠 に基づき、ロジカルに考える ことができるようになる

分子の 反応 を予測する

分子の反応 を予測するときに重要な物理量は？
化学反応に伴う「エンタルピー変化」が分かると、反応が起こる条件 や 反応を促進する方法 などを定量的に予測することができる

標準モル生成エンタルピーとは？
標準状態の元素から 1 mol の分子を生成するときのエンタルピー変化を標準モル生成（formation）エンタルピー（ΔfH○）と呼ぶ。同様に、1 mol の分子を燃焼したり、反応したりするときのエンタルピー変化を標準モル反応（reaction）エンタルピー（ΔrH○）
標準モル燃焼（combustion）エンタルピー（ΔcH○）と呼ぶ。

標準モル生成エンタルピーを調べるには？
アメリカ国立標準技術研究所（NIST）が提供する
化学情報データベースで調べることができる➡ NIST Chemistry WebBook
https://webbook.nist.gov/chemistry/

Formula8

C2H69

10

Gas phase thermochemistry data11

Gas phase thermochemistry data

標準モル「生成」エンタルピー

標準モル「燃焼」エンタルピー

小テスト：標準モル生成エンタルピー

小テストについて●

授業中に manaba で 小テスト を実施します●

小テストを受講するときに、下記の資料を参考にすることができます‣ 実験テキスト‣ 自分の 実験ノート‣ 自分の 予習レポート●

他の人の回答を見たり、他の人の実験ノートや予習レポートを見たりすることはできません小テスト：5 分

休憩時間：5 分

気候変動の問題とは？

持続可能な開発目標（SDGs）

19

20

21

温室効果ガスとは？

➡︎

なぜ CO2 には温室効果があるのか？
CO2 は667cm-1の光を吸収して分子の運動エネルギーに変える
徐々に大気の温度が上昇する

CO2

分子の振動状態を調べるには？
量子化学計算が手軽に実行できる Web アプリを使う➡ MolCalc（ https://molcalc.org ）O=C=O25

26

Vibrational Frequencies

27

28

SMILES 記法 とは？
分子の化学構造を 文字列化 して表現する表記方法。
化学情報が登録されている様々なデータベースなどで、目的の化合物を検索するために用いることがある。

SMILES 記法 の基本的なルール●

原子は 元素記号 で表し、水素原子 は 省略 する●

二重結合 は「=」、三重結合 は「#」で表す●

単結合 は（通常は）省略 する●

環構造 は、つながっている原子の後ろに数字でラベル付け する（C1 など）‣ プロパン：CCC、シクロプロパン：C1CC1●

芳香環 を構成する原子は小文字にする（c など）‣ ベンゼン：c1ccccc1

SMILES 記法 の例
化合物名

化学式SMILES

メタン

CH4C

アンモニア

NH3N

水H 2OO

二酸化炭素

CO2

O=C=O

窒素

N2N#N

酸素

O2エタン

C 2H 6

CCエチレンC 2H 4C=C

アセチレン

C 2H 2C#C？
O=O

SMILES 記法 の例
化合物名

化学式

SMILES

ブタン

C4H10

CCCC

1,3-ブタジエンC 4H 6

C=CC=C

1,2-ブタジエンC 4H 6

C=C=CC

シクロブタンC 4H 8C1CCC1シクロブタジエン

C 4H 4

C1=CC=C1シクロヘキサン

C6H12

C1CCCCC1シクロヘキセンC6H10C1CCC=CC1

1,4-シクロヘキサジエン

C 6H 8C1C=CCC=C1

ベンゼン

C 6H 6c1ccccc1？

小テスト：SMILES 記法

小テストについて●

授業中に manaba で 小テスト を実施します●

小テストを受講するときに、下記の資料を参考にすることができます‣ 実験テキスト‣ 自分の 実験ノート‣ 自分の 予習レポート●

他の人の回答を見たり、他の人の実験ノートや予習レポートを見たりすることはできません小テスト：5 分

休憩時間：5 分

分子の 反応 を予測する

メタンの生成エンタルピーを「予測する」には？

C + 2 H2 → CH4

Δ fH = ?

量子化学計算（分子軌道計算）を用いることで、データベースにないような未知の化合物であっても、生成エンタルピーを 理論的に予測 できる➡ MolCalc（ http://molcalc.org ）C39

Heat of Formation
40Ｑ）量子化学計算（MolCalc）で得られた生成物と反応物の 生成エンタルピー ΔfH の 値を利用して 反応エンタルピー ΔrH を 求めるには？

A + BＡ） ΔrH→C + D= Σ ΔfH生成物 − Σ ΔfH反応物= [ΔfHC + ΔfHD] − [ΔfHA + ΔfHB]
生成物の ΔfH の総和

反応物の ΔfH の総和
41

メタンの燃焼反応の反応エンタルピーは？
対応する反応式は

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
生成エンタルピーの値を用いて

ΔrH = [ΔfHCO2 + 2 × ΔfHH2O] − [ΔfHCH4 + 2 × ΔfHO2]生成物の ΔfH の総和

反応物の ΔfH の総和?
?
?
?
= [(−355.8)+ 2 × (−223.5)]− [(−54.5)+ 2 × (−76.9)]? kJ/mol= −902

演習：分子の「反応」を予測する

演習レポートについて●

授業中に完成させて、最終版を提出します‣ 実験ノートに下書きをすることをお勧めします●

教員やTAのサポートやアドバイスを受けながら取り組むことができます●

他の受講生と相談することもできます‣ お互いに助け合う（ピア・サポート）の態度をプラスに評価します●

ただし、他の人のレポートを書き写すだけということはできません（※教員・TAが注意します）

課題１
次の化合物について MolCalc を用いて熱力学的性質を調べて、それぞれの 生成エンタルピー の値を答えよ。
●

メタン（CH4）●エチレン（C2H4）●

ベンゼン（C6H6）●

酸素（O2）●

二酸化炭素（CO2）●

水（H2O）

課題２
課題１で調べた生成エンタルピーの値を用いて、メタン CH4，エチレン C2H4，ベンゼン C6H6 が燃焼するときの反応エンタルピーを計算せよ。

‣ CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O‣ C2H4 + 3 O2 → 2 CO2 + 2 H2O‣ C6H6 + 15/2 O2 → 6 CO2 + 3 H2O

課題３
化石燃料である石炭、石油、天然ガスを燃焼することで20 ℃ の水 1 kg を 100 ℃ まで加熱するとき、二酸化炭素の発生量はどの程度になると予測されるか。

➡︎

気候変動の問題について考えるときの出発点

課題３のヒント
最初に，化石燃料に対するモデル物質について考える。
化石燃料は組成が複雑なので，炭素と水素の組成比から，適切な炭化水素化合物をモデル物質とする。
表：化石燃料の組成比
モデル物質

化石燃料

C:H 組成比石炭

1:1

C6H6（ベンゼン）

石油

1:2

C2H4（エチレン）

天然ガス

1:4

CH4（メタン）課題３のヒント
水を目的の温度まで加熱するときに必要となる熱量を考える。20 ℃ の水 1 kg を 100 ℃ まで加熱するときに必要となる熱量は次のように求めることができる。

(100 [℃] − 20 [℃]) × 1 [kg] × 4.2 [J] =

A

[kJ]

必要となる熱量ポイント
水 1 g の温度を 1 ℃ だけ上昇させようとするときに必要となる熱量は 4.2 J となる

課題３のヒント
目的の熱量を得るために必要となる化石燃料の物質量について考える。天然ガスのモデル物質であるメタンが燃焼するときの反応式は次の通りである。

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O ΔrH = −902 kJ/mol
目的の熱量を得るために必要となるメタンの物質量は次のように求めることができる。
A[kJ] ÷ 902 [kJ/mol] =B[mol]

必要となる化石燃料の物質量

課題３のヒント
化石燃料を燃焼させたときに発生する二酸化炭素の量について考える。
反応式（CH4 + 2 O2 → 1 CO2 + 2 H2O）から，1 mol のメタン（CH4）が完全に燃焼した場合には1 mol の二酸化炭素（CO2）が発生することが分かる。
ポイント
熱化学反応式で示される各物質に対する係数の比から量的な関係を読み取ること

課題３のヒント
したがって， Bmol のメタンを燃焼させたときに生じる二酸化炭素の物質量は次のように求められる。
B[mol] × 1=

C

[mol]

発生する二酸化炭素の物質量

これまで説明した天然ガスの例をヒントにして，他の化石燃料（石炭・石油）についても同様に，二酸化炭素の発生量を求める。

気候変動問題を考える課題４
化石燃料を用いた場合の CO2 発生量の違いから、火力発電所などの大規模 CO2 発生源を想定した場合、気候変動に配慮してエネルギーを生産する方法として、どのようなことが考えられるだろうか？

発電のしくみ火力発電の環境コストは？

？

火力発電の価格コストは？

燃料

発熱量[MJ/kg]

コスト1)[円/kWh]

石炭

2624

原油

4232

天然ガス
（LNG）

55

17１）新電力ネット / コモディ統計情報 / 2024年6月時点

天然ガスの価格コストの推移は？

天然ガス貿易（2019年）

エネルギー白書（2021）

＜12月＞
プライスキャップ導入開始

エネルギー自給率＜12月＞(G7)
プライスキャップ導入開始＜12月＞
個々の契約にプライスキャップが規定されている場合の禁輸決定

ロシアへの依存度（2020年の輸入量におけるロシア比率）※日本のみ2021年（2021年）

石油天然ガス

石炭

日本

13%

4%

9%

11%

イタリア

23%

11%

31%

56%

ドイツ

35%

34%

43%

48%

フランス

54%

0%

27%

29%

英国

61%

11%

5%

36%

米国

104%

１%

0%

0%

カナダ

186%

0%

0%

0%

出典：World Energy Balances 2022、BP統計、EIA、Oil Information、Cedigaz統計、Coal Information、貿易統計

60

エネルギー価格の推移◆ ガソリン:1リットル170円程度に抑制（補（円/kWh）37.8

403530

電気料金の推移
1年で約3割上昇

28.2
32.0

2520
1510

1年で約6割上昇
19.8
電灯（家庭向け）

電力（産業向け）50

出典:電力取引報日本で天然ガスは存在するか？

日本で天然ガスは存在するか？

メタンハイドレート

64回収した CO2 を有効利用する技術

CO2を分離回収・有効利用・貯留する技術

https://youtu.be/tYwiF53ZfmY

この演習で学んだことは？