⑭エネルギー化学

84/30時間（2単位、15回）頃

エネルギーの移動と物質移動

光はほぼ一瞬にしてエネルギーを移動できる。ではほかのエネルギーはどうだろうか？力学エネルギーは質量の移動を伴う。熱や物質の移動の形態は似ている。熱は、放射、拡散、伝熱。物質は、拡散、泳動、対流。

	🧪 化学	⚡ 電力	💪 力学	🌟 光	🔥 熱

🧪 化学（ `G` ）	化学反応状態変化	👨‍🏫 🚂 電池ｐＨセンサー ^1 ) 二酸化炭素センサー湿度センサー	◇ 鉄砲（火薬）	👨‍🏫 化学発光	👨‍🏫 燃焼バーナー ◇ 暖炉 ◇ 燃料
⚡電力 eV, `FE`	◇ 蓄電池（電解）	変電、インバータ	👨‍🏫 モーター ^2 ) 🔊スピーカー	◇ ＬＥＤ	👨‍🏫 ヒーター電気炉 `Q`=`I`²`R`
💪 力学（`pV`）	◇ 高圧合成	👨‍🏫 発電機 🎤マイク	リンク、カム	◇応力発光	👨‍🏫 ヒートポンプ 🚂 エアコン ^3 ) pV=nRT
🌟 光（`hν`）	◇ 光合成銀塩写真フォトレジスト	👨‍🏫 太陽電池イメージセンサー		◇蛍光	👨‍🏫 ◇ 電子レンジ
🔥 熱（`RT`, `k`_B `T`）	◇ 加熱合成	👨‍🏫 熱電変換温度センサー	👨‍🏫 🚂 熱機関 pV=nRT	◇ 白熱電球（黒体放射）

👨‍🏫 化学工業とエネルギー変換 👨‍🏫 エネルギー変換 👨‍🏫 物質資源とエネルギー資源

濃度とエントロピーと拡散

蓄積と移動

表 2 . モノの備蓄と輸送

状態		備蓄	輸送

物質	固体	野積み	拡散（🧪化学イオン、🔥熱）、対流（🧪物質、🔥熱）、 🖱 泳動（🧪イオン）
	液体流体	タンク ^4 )	拡散（🧪化学イオン、🔥熱）、対流（🧪物質、🔥熱）、 🖱 泳動（🧪イオン）
	気体	タンク ^5 ) ・ボンベ	拡散（🧪化学イオン、🔥熱）、対流（🧪物質、🔥熱）、 🖱 泳動（🧪イオン）
エネルギー		電池	送電（電気）、輻射（🔥熱、🌟光）
情報		ダウンロード・記録	ストリーミング配信・通信
カネ		預貯金

ヒト、カネ、モノ、情報、エネルギー。サプライチェーンの役者たちは、とまっているか、動いているか。

時間。静的か、動的か。ためておくか、動かすか。平衡論か速度論か。コンデンサか抵抗か。

動かすにはエネルギーが必要。

備蓄

表 3 . エネルギー（燃料）の備蓄と輸送
状態	エネルギー資源	燃焼	備蓄	輸送	用途

固体燃料 kg	🏞 石炭。	火格子燃焼、微粉炭と重油による微粉炭燃焼など	野積み	鉄道、船舶コンベヤー	火力発電のボイラー蒸気機関
	木炭、薪、バイオマス、蝋				暖炉、囲炉裏、ローソク
	可燃ごみ、廃タイヤ、廃プラスチック				発電、キルン
液体燃料 L	🏞 石油 (重油、軽油、灯油)など。バイオディーゼル燃料	バーナーで霧状にして、燃焼。	タンク ^6 )	ポンプパイプライン	ボイラーエンジン
液体燃料 L	荏胡麻油、菜種油、ＳＡＦ	法灯	甕
気体燃料 Nm³	ＬＮＧ・液化石油ガス（ＬＰＧ）、都市ガスなど。水素は将来的に期待。	拡散型バーナーや予混合型バーナーで燃焼。	タンク・ボンベ	パイプライン	ボイラーエンジン
電気	電気		エネルギー変換（電池）	電線	ヒーター、ヒートポンプ
核燃料	ウラン				ボイラー原子炉

家電で、生活に必須と思われているのは、冷蔵庫、洗濯機、スマホなどです。電気は、そのまま備蓄ができません。今使っている電気は、今、作っている電気です。

^7

)

工場やプラントのユーティリティとしても欠かせません。

酒粕と牛フンで発電する試みもあります。ながめやまバイオガス発電所ながめやまバイオガス発電所 PDF

化石燃料備蓄と輸送 👨‍🏫 化石燃料（炭素資源）―石炭と石油―

エンタルピーと電気泳動

自由エネルギーは、どこにある？

イオンの移動

表 4 . イオンの移動

形態	説明	流動

対流	重力・動力（撹拌）	ポンプによる輸送や気温による上昇気流。
🖱 泳動	電位勾配／クーロン力／導電率抵抗過電圧	位置エネルギーを最小に	慣性支配
🖱 拡散	濃度勾配／拡散係数	エントロピーを最大に拡散方程式拡散過電圧	粘性支配

拡散と対流は、イオン移動だけでなく物質移動でも起こります。拡散はイオン移動だけでなく熱移動でも起こります。

電位プロファイルと導電率

導電率は、物性値です。ベクトル量なので、導電異方性があれば、方向依存性があります。

導電率は、電流密度を電界の強さの比です。電界の強さは電位勾配であり、電位勾配を見るには位置に対して電位を示した電位プロファイルが便利です。

また導電率は、移動度と電荷密度の積です。移動度は粘度に反比例し、電荷密度は、イオンの濃度に比例します。

拡散方程式

偏微分方程式

表 5 . 偏微分方程式

分類	例	用途

一般
楕円型(elliptic)	Laplace方程式
楕円型(elliptic)	Poisson方程式
双曲型(hyperbolic)	🖱 波動方程式	波、量子力学
放物型(parabolic)	🖱 拡散方程式	物質移動、イオン移動、熱移動

電気泳動

イオンや荷電粒子の移動には、対流、拡散のほかに泳動がある。電気泳動現象はＤＮＡの分析などにも応用されている。

図電気泳動

8.2.5. 電気泳動と蛋白質の分離, p.208
山下正通、小沢昭弥. 現代の電気化学 . 丸善,2012-4-1T0:0:0+09:00 （参照 2019-4-3T18:23:36+09:00 ） .

✍ 平常演習

イオンの移動度から泳動速度を求めよう . エネルギー化学・工業製品への応用―バイオと光－

光は粒子？

表 6 . 0. 29 エネルギーの種類

kWh、 J	関係式	示強性変数	示量性変数	物質量あたりマクロ	粒子あたりミクロ

🧪 化学（ `G` ） ⚖️	⊿`G`=⊿`H`-`T`⊿`S`	化学ポテンシャル	物質量〔mol〕	アボガドロ数 `N`_A
🔥 熱エネルギー	🖱 `Q`= `TS` `RT`	温度 `T` 〔K〕	エントロピー `S` 〔J/K〕	気体定数 `R` 〔J/K・mol〕	ボルツマン定数 `k_B` 〔J/K
💪 力学（`pV`） ⚖️ `E`	🖱 `W`= `pV`	圧力 `p` 〔Pa〕	体積 `V` 〔m³〕	理想気体のモル体積 `x` 〔L/mol〕
⚡ 電気（ `nFE`, `eΦ`）	🖱 `E`=`VQ` `E`=`nFE`	電圧 `V` 〔V〕	電気量 `Q` 〔C〕	ファラデー定数 `F` 〔C/mol〕	電気素量 `e` 〔C〕
🌟 光（`hν`）	`E`=`hν`	振動数 `ν` 〔Hz〕			プランク定数 `h` 〔J・s〕
☢ 原子力（`mc`²）

エネルギーは、相互にエネルギー変換できます。エネルギーは保存則でなくなりませんが、有効な仕事として利用できるエネルギー（エクセルギー）の割合は減っていき、廃熱（アネルギー）の割合が増えていきます。その意味で、熱エネルギーはエネルギーの廃棄物と言えます。

状態量 👨‍🏫 電気エネルギー ⚖️ 電気エネルギー E〔J〕

太陽スペクトル

太陽の光をプリズムで分光すると、赤、緑、青などの色が現れます。 1814年、ドイツの光学技師だったフラウンホーファーは、太陽スペクトルに600本の暗線を見つけた ^8

) 。フラウンホーファーは、レンズの欠陥と思いガラスや研磨方法を工夫したが、改善しなかった。この暗線は、原子の吸収によるもので、元素ごとにパターンが違った。元素の指紋のようなものだ。ここから分光器による元素分析が発展し、いくつかの新しい元素の発見につながった。

👨‍🏫 葛飾区郷土と天文の博物館＠東京都葛飾区

スペクトル

図 4 . スペクトル

太陽光などの白色の可視光をプリズムで分光するとスペクトルが観察できます。横軸は波長あるいは振動数です。赤はエネルギーが低く、青はエネルギーが高いです。

輝線スペクトル 👨‍🏫 葛飾区郷土と天文の博物館＠東京都葛飾区高橋香桃花

電磁波

表 7 . 電磁波

大分類	小分類	振動数（周波数）	波長 `λ`( ラムダ ) *	用途

長波（LF）		40kHz 125kHz	7.5km 2.398km	電波時計スマートキー
中波(MW)				📻ラジオ放送
短波(SW)		13.56MHz		📻ラジオ放送 NFC
VHF				📺アナログテレビ放送
UHF		470MHzから710MHz ( 地上デジタル )、 700M～900MHz( 4Gプラチナバンド )	0.42～0.63m 0.33～0.42m	📺テレビ放送、 📱スマホ
マイクロ波		1.5G～3.5GHz( 4G ) 、 2.4GHz /5GHz( WiFi ) 3.7GHz/4.5GHz( 5G) 28GHz(5G) 90G～300GHz( 6G)	125mm 0.99～3.33mm	電子レンジ、📱スマホ、 📶WiFi 秒の定義
赤外線	遠赤外線	0.2～74THz	4μm～1000μm	床暖房
赤外線	近赤外線		1310nm,1550nm	光ケーブル
可視光	赤		650nm (CD,DVD)	音楽記録、映像記録
	緑	566THz 540THz	530nm 555nm	カンデラ (cd)の定義
	青		405nm ( ブルーレイ )	ビデオ記録
紫外線	UVA		320～400nm 365nm	ブラックライト
	UVB		280～320nm
	UVC		100～280nm 254nm	殺菌灯
Ｘ線				☢レントゲン ☢結晶構造解析
ガンマ線				☢γナイフ

人間が、直接認識できるのは、電磁波のうち、可視光と一部の赤外線だけです。

🌟 光（hν）

地球の上空で垂直に降り注ぐ太陽のエネルギーは、太陽定数と呼ばれる。太陽定数の値は、 1.37kW/m²である。地球表面全体で平均した太陽放射エネルギーは、0.342kW/m²で、太陽定数の1/4にあたる。 4323.3912kJ/cm2 : 499.2624kJ/cm2 :1032641.98812cal/cm2

入射した太陽エネルギーのほとんどは、地球から放射され、地球は熱平衡の状態にある。産業革命以降のの人類の活動による二酸化炭素濃度の上昇で、熱平衡が崩れ、温暖化が進んでいる。

入射した太陽エネルギーの0.1％が光合成に使われる。化石燃料は、この0.1％のエネルギーを何万年もかけて蓄積したものだ。

生産者によって光合成で同化されたエネルギーの半分は、被食量であり、成長量は１/５にもみたない。食物連鎖によって一次消費者、二次消費者と続く。光合成をしない二次消費者の成長と熱排出が２１％を占める。

人々は、さまざまな生活の局面で、太陽エネルギーを利用してきた。農業における食糧生産はもちろんのこと、灰汁抜き前の天日干し。塩田での塩づくり。

◇ 光合成

8.4.2. 生体機能に学ぶ, p.215
山下正通、小沢昭弥. 現代の電気化学 . 丸善,2012-4-1T0:0:0+09:00 （参照 2019-7-16T18:21:26+09:00 ） .
9.7.3. 光合成と光電池, p.234
山下正通、小沢昭弥. 現代の電気化学 . 丸善,2012-4-1T0:0:0+09:00 （参照 2019-7-16T18:24:8+09:00 ） .

電気化学的に見た光合成について説明し、チコライド膜の役割について述べなさい。

◇ 光触媒

図光触媒

触媒の例

表 8 . 触媒の例

分類	例	特徴	反応物	生成物

均一触媒	酸、アルカリ、金属錯体	転嫁率と選択率が高い反面、生成物と触媒の分離が必要
不均一触媒	粉末や多孔体などの固体	反応物と生成物とまじりあわない。分離が容易。気体や液体
	🏞 白金			燃料電池自動車の排ガス浄化触媒 ^11 ) ^12 )
	塩化水銀・硫酸水銀	水俣病を引き起こした。以来、元素規制。	カーバイト	塩化ビニル・ 🏞 🧪 アセトアルデヒド
	🏞 アルミナ		石油の脱硫
	🏞 ゼオライト		石油のクラッキング
	二酸化チタン		水素	光分解の光触媒 ^13 )
ルテニウム触媒		水素、窒素	アンモニアハーバーボッシュ

触媒を使うと平衡論的には不利であるが有用な反応を選択的に起こさせることができる。

量論プロセスを触媒プロセスに換えることで、生産効率（収率）をあげることができる。 ^14

)

不均一固体触媒では、バルクより表面が重要である。

👨‍🏫 KSPテクノプラザ光触媒ミュージアム 🏞 白金

電荷担体

電気が流れるのは電気を運ぶ何かが移動するからです。この電気を運ぶ何かをキャリア（担体）と言います。キャリアには電子とイオンがあります。金属は電子伝導、電解液はイオン伝導です。欠陥がキャリアになることもあります。電子の欠陥はホール（正孔）であり、イオンの抜け穴はベーカンシー（空孔）です。

固体の導電性は、バンドで説明できます。 ^15

) ^16

)

金属結合

電解質

電子からみた接触の種類

表 9 . 電子からみた接触の種類

界面	電位差	界面	例

オーミックコンタクト	フェルミ準位が同じになるので、電位差は０	（固固界面）金属｜金属	銅｜アルミニウム
		金属｜半金属	アルミニウム｜グラファイト
		金属｜半導体	白金｜酸化チタン
		（固液界面）金属｜電解液	白金｜Fe²⁺,Fe^3+/ aq
ショットキーコンタクト	界面電位差（起電力）	（固液界面）金属｜電解液	銅｜銅イオン水溶液
		（固固界面）金属｜半導体	ゲルマニウム｜タングステン（接触ダイオード * ）
		半導体｜半導体	アルミニウム（酸化アルミニウム皮膜）｜酸化マンガン（Ⅳ）、
		金属｜固体電解質	金｜ヨウ化銀

⑦ ⑭ エネルギー化学 ⑧ エネルギー化学特論 0422 1217 1224

物質と物質とが接触すると、その界面で電気的な相互作用が起こります。

固体同士の接触では、点接触になります。しかし、製膜技術を使ってｐｎ接合などを形成することもできます。

界面

点群と空間群

表 10 . 点群と空間群

例	ヘルマン・モーガン記号 (Hermann-Mauguin)	シェーンフリース記号 (Schoenflies)	説明

H2O		C2v
CH4		Td
LiCoO2	$R \overline{3} m$		便宜的に六方晶系

集合に定められた演算について、結合律が成り立つとき、その集合は半群です。さらに交換律が成り立つとき、その集合は可換半群です。単位元をもつ半群のすべての元が逆元を持つとき、その半群は群といいます ^17

) 。

ハイドロテクトタイル

浴衣と焼きそばと染料

光触媒の身近な応用例について紹介しなさい。

写真乾板

光で反応する物質を応用すれば、写真ができます。

写真乳剤は、ゼラチンをバインダーとして、ハロゲン化銀の粉体を分散します。それをガラスに塗布して乾板にしました ^18

) 。

イーストマンコダックが、フィルムに塗布しました。

👨‍🏫 日本カメラ博物館＠東京都千代田区 👨‍🏫 上野撮影局跡＠長崎県長崎市 👨‍🏫 写真乾板

◇ 太陽光発電

ソーラーパネル

地球の上空で垂直に降り注ぐ太陽のエネルギーは、太陽定数と呼ばれる。太陽定数の値は、 1.37kW/m²である。

太陽電池は、光エネルギーを電気エネルギーに変換します。

^19

) ^20

) ^21

)

太陽電池の分類

表 11 . 太陽電池の分類

用途	概略	説明

シリコン系太陽電池	単結晶Si（バルク結晶）
	多結晶Si（バルクまたは薄膜）
	水素化アモルファスSi（薄膜）
化合物半導体系太陽電池	Ⅲ－Ⅴ属化合物半導体：GaAs、InP（エピタキシャル膜）
有機半導体系太陽電池	ペンタセン、フタロシアニン、メロシアニンなど
湿式太陽電池	色素増感型（TiO2/Ru化合物色素I-P-）、n-Si/ジメチルフェロセン溶液

⑭ エネルギー化学 ⑧ 無機工業化学

住宅のソーラーパネルにも使われます。 ^22

) ^23

) ^24

)

山形大学の太陽光発電とリチウムイオン電池

図 10 . 山形大学の米沢キャンパスの 2026-1-22の太陽光発電とリチウムイオン電池

米沢キャンパスだけで、 1500kWもの電力を使っています。太陽光発電で賄えるのは、昼間の日光があるときで、せいぜい30kW。再生可能エネルギーの太陽光だけでは、電気が全然足りません。

スマートグリッドでは、センサーを使って電力を計測し、インターネットの通信を使って、発電量を制御します。気候に左右されやすい再生可能エネルギーでは、余剰電力を電池に蓄えます。

XMLでデータ交換することもできます。

ＺＥＨ撤回次世代住宅ポイント制度

放射線と節電

図 11 . フォトリソグラフィー

図 12 . 低炭素住宅とＶ２Ｈ

LCCM住宅（ライフ・サイクル・カーボン・マイナス住宅）とは、ZEH（ネット・ゼロ・エネルギー・ハウス）よりさらに省CO2化を進めた先導的な脱炭素化住宅で、建設時、運用時、廃棄時において出来るだけ省CO2に取り組み、さらに太陽光発電などを利用した再生可能エネルギーの創出により、住宅建設時のCO2排出量も含めライフサイクルを通じてのCO2の収支をマイナスにする住宅です。 ※

V2Hとは、電気自動車の電池を、住宅の電池(ESS)にリユースすることです。電気自動車の電池容量は、 40kWh程度とすれば、住宅の電池10kWhの4世帯分に相当します。

しかし安全にリユースするには、バッテリーのインスペクションが欠かせません。