q.184.物理化学特論

リチウムイオン二次電池の開回路電圧は、その放電深さでの正極の電位と負極の電位の差になる。正極は、遷移金属のリチウム複合酸化物を使い、遷移金属の価数変化を使って酸化還元することがほとんどである。したがって、リチウム複合酸化物の酸化還元電位について深く理解しておくことが大切である。この課題では、リチウム複合酸化物の酸化還元電位について、量子力学の立場から、理解を深めることを目的とする。

コバルト酸リチウム（LCO）,マンガン酸リチウム（LMO）,ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム（NCA）などのリチウムイオン電池（LIB）の正極活物質からひとつ選びましょう。それらの酸化還元にかかわるエネルギー準位の計算をして、充放電深さによる電位の変化を調べましょう。

エネルギー準位の計算には、フリーの量子化学計算アプリが数多くあります。どれかひとつを選んで、計算してみましょう。結晶なので、結晶を仮定して、バンドを計算するのが望ましいのですが、結晶格子の単位胞を分子と仮定して、分子軌道を計算してもかまいません。ただその場合は、原子の数が少ないため、活量の変化を追えず、充放電深さによる電位の変化の議論は難しくなります。

酸化還元電位の計算

電子軌道（オービタル）とエネルギー準位

表 1 . 電子軌道（オービタル）とエネルギー準位

電子軌道の種類	対象	軌道の数	フェルミ準位

原子軌道（ＡＯ）	s,p,d,f	原子に属する電子の個数の半分程度
分子軌道（ＭＯ）	σ、π、δ	分子に属する原子の電子の個数の半分程度	ＨＯＭＯ、ＬＵＭＯ
バンド		固体に属する原子の数（アボガドロ数）程度	価電子帯、導電帯

放電管に水素をわずかに入れ（ガイスラー管程度、低真空＝10−3 atm（100 Pa））放電すると、水素分子は、水素原子（プロトン）と電子に電離したプラズマとなり、水素原子特有の光を発します。これを分光器で分光すると、赤とシアンの線スペクトルが観察されます。これは、水素原子の中の電子が、とびとびのエネルギーしか許されないことを表しています。このとびとびをエネルギー準位と言い、それぞれのエネルギー準位で電子が存在しうる場所を、原子軌道（ＡＯ）と言います。

ふたつの水素原子が結合すると（共有結合）、水素分子となります。原子軌道とは、別の軌道が新たに生まれます。その軌道を分子軌道（ＭＯ）と言います。たとえば、s軌道から生まれた分子軌道はσ軌道と言い、p軌道から生まれた分子軌道はπ軌道と言います。

たくさんのナトリウム原子が結合すると（金属結合）、ナトリウム金属（固体結晶）となります。原子軌道とは、別に生まれた軌道は、たくさんあり、それらを総称してバンド（帯）と呼びます。固体全体につながっているバンドにも電子が存在し、それらを自由電子と言います。

たくさんのナトリウムイオンと塩素イオンが結合すると（イオン結合）、塩化ナトリウム（固体結晶）となります。原子軌道とは、別に生まれた軌道は、たくさんあり、それらを総称してバンド（帯）と呼びます。固体全体につながっているバンドには電子がは存在しません。電子が存在するバンドと固体全体につながっているバンドのエネルギーの差をバンドギャップと言います。

✍ 234 共有結合の黒鉛が電気を流す理由を考えよう ✍ 184 量子化学計算ソフトを使って酸化還元電位を議論してみよう

均一固相反応（Ｓ字）と二相（Ｌ字）反応

💯 課外報告書 Web Class

課外報告書の書き方について

課外報告書は、報告書です。感想文ではありません。データの提示方法を工夫することで、共著者の役割の感情や思想を創作的に表現してください。データは、単なる実験事実や科学的数値です。しかし、結果は、著者による創作的な表現であり、著作物です。

できるだけ短く簡潔に。
事実をあるがまま（客観的）に。
感想や思い（主観）を交えない。

🆖美味しかった。🆖面白かった。

図 3 . 報告書作成の心得

課題を確認する。
報告書の主題（テーマ）を決める
報告書の素材（参考文献、データ）を集める ^1

)

報告書の構成（緒言、方法、結果の内容）を考える
1. 緒言は、出典の明らかな出版物から。参考文献を明記する。
2. 方法は、読者が追試できるように具体的に過去形で書く。
  🆖多めのお湯を注いだ⇒🆗1000mL、100℃のお湯を注いだ
  
  🆖適宜、適量、約
  
  🆖ゆでて水にさらす⇒🆗ゆでて水にさらした
著者を確認する ^2

) 。
本文の執筆（下書き、草稿）をする。
見直し（推敲）をする。
清書（脱稿）して、提出（報告）する。

図 4 . 報告書作成と提出の流れ

課外報告書は、学習保証時間8時間を要件とします。期末にWebClassに提出する成績評価申請書には、主題の決定から、脱稿までの、それぞれに要した時間も含めてください。データは、三現主義（現場・現物・現実）にのっとって収集してください。

課外報告書を広く役立てよう

学校教育法第百十三条に、「大学は、教育研究の成果の普及活用の促進に資するため、その教育研究活動の状況を公表するものとする。」とあります。

提出して終わり、ではもったいありません。評価のための提出ではなく、誰かを笑顔にする取り組みにしてみませんか？

取り組んだ内容について、ぜひ、友人、知人、家族など広く伝えて役立てましょう。また、意見やアドバイスを積極的に取り入れましょう。査読された内容ではありませんが、ＳＮＳなどで伝えていくこともいいでしょう。ホームページで公表することも推奨します。そのやり方は、情報処理概論の演習を活用してください。公表にあたっては、ネットストーキングの被害などから身を守る工夫をしましょう。

評価のために提出するだけでは、それを誰かが複製して利用することはありません。複製して利用する価値があるとき、複製する権利は、著者にあり、それを著作権と言います。

評価を得るために他人の著作物を複製行為は、著者の著作権の侵害となります。また評価をえなかったとしても、他人の著作物の剽窃行為は、倫理的にいかがなものかと思います。

課外報告書に複数で取り組む場合の注意点

課外報告書に取り組むにあたって、複数人で取り組むことはかまいません。コミュニケーションをとって、チームとしてプロジェクトに取り組んでください。

報告書は、個人の著作物です。協働でテーマに取り組んでも、ひとりひとりが独立に報告書を作成し、提出してください。

複数人で取り組んだことを明らかにするため、共著者として、共同研究者を書いてください。執筆者（提出者）を筆頭著者としてください。共著者の役割を明らかにしてください。

慣例にしたがう引用は、かまいませんが、自分が執筆した部分と、共同研究者の著作から引用した部分が、区別できるようにしてください。その部分を、実際に誰が執筆したのか、明らかでないような、引用の仕方（コピペされているのに、誰が書いたかわからないような状態）は、ご遠慮ください。

図や写真は、独立した著作物とみなされます。その場合は、引用ではなく転載となります。たとえば、写真は撮影者に著作権があります。許諾をとったうえで、自分以外の共同研究者が撮影した写真を掲載する場合は、著作権のクレジットを明記してください。もちろん、協働制作物を、それぞれが写真に撮影した場合は、それぞれが、それぞれの写真の著作権を持ちますので、クレジット表記は必要ありません。

著作物とは、著者の感情や思想を、創作的に表現したものです。それを踏まえて、報告書を作成してください。

表 2 . 研究不正（FFP）

項目	説明	事例

捏造 (fabrication)	巡検で観察したり、実験したりしていないデータを、でっちあげて、あたかも実験したデータのように記録したり表現してはいけません。巡視や点検をしていないのに、さもしたかのような記録を残してはいけません。	ディオパン事件 ^3 ) ^4 )
改ざん (falsification)	記録されたデータや情報を都合のいいように書き換えてはいけません。紙に墨で書かれた手書きの文字は、改竄しづらいです。
盗用・剽窃 (plagiarism)	他人の論文やアイディアなどを無断でコピペしてはいけません。デジタル技術の発達で、コピペが簡単になった分、盗用も簡単になりました。たとえ、自分の既発表論文でも、引用 ^5 ) ではなくそのまま流用すると「自己剽窃」です。図表は、引用ではなく、転載なので原則として、転載許諾が必要です。
二重投稿	一度、公表した内容を使いまわしてはいけません。自己盗用（自己剽窃）は、不正です。 * *
不適切なオーサシップ	貢献していないのに、著者として名を連ねてはいけません。名義貸しです。名義借りはだめです。他人の論文や報告書を、代筆していけません。 *
査読不正	著者が、匿名査読者になりすまして査読してはいきません。匿名査読者を特定し、査読に影響を与えてはいけません。査読者が、査読中の論文の内容を、自分の内容として公表してはいけません。ハゲタカジャーナル、ハゲタカ学会に投稿してはいけません。
不正行為の証拠隠滅	不正行為があったことの証拠を隠滅したり、立証を妨害してはいけません。

* *

課外報告書の配点と取り扱いについて

課外報告書の配点は一律10点加点です。

単位数を2単位とすると、2×30時間が標準学習保証時間です。最低学習保証時間のほかに、取り組んだ内容1件につき一律10点加点します。 2×30時間を100点満点とし、そこから最低学習保証時間を差し引いて、10点で割ると、課外報告書の標準的な学習時間が計算できます。つまり、課外報告書の学習保証時間は、8時間（約１日）です。十分な時間をかけていない報告書の提出は、不正行為として扱うこともあります。また課外報告書は、教室でやれない課外活動の報告です。現場・現実・現物などの実態を伴っていない報告書の提出は、不正行為として扱うことがあります。

予習報告書は、課外報告書として申請できます。 設問ごとに別々の報告とすることはできません。その場合は、二重投稿（自己盗用）の不正行為として扱うことがあります。

成績評価申請書では、書誌情報、課外報告書の要旨（アブストラクト）、費やした時間（学習保証時間）、かかったコスト、現場・現実・現物のエビデンスなど指定された要件を申告してもらいます。

応用物理化学特論

本講義では、界面・表面現象や光イメージングといった物理化学的な現象の工学分野における役割を学ぶ。そこでは、化粧品、医薬品および食品を開発する上で重要な、皮膚、毛髪および粘膜上で起こる界面現象から、電池やコンデンサなどのエネルギーデバイスを中心の機能を効率よく発現させるための界面設計、そして、粉体の分散・凝集に関する粉体表面の物性およびその測定法，さらに様々な表面処理方法等について論ずる。また、光学顕微鏡を用いた光イメージングについて、光学素子の役割、イメージの結像、光の回折限界と空間分解能などについて解説する。多重染色によりさまざまな物質を識別できる蛍光顕微鏡において重要となる蛍光色素および蛍光タンパク質などの蛍光プローブとその利用法について解説するとともに、レーザーマニピュレーション法や近年実用化されたナノメートルの空間分解能を持つ超解像蛍光顕微鏡等の応用例を紹介する。

化学計測・生体情報特論

本講義では、物質の有効活用の観点から、物質や生体が有する情報の取得・解析法に関する内容について解説する。そこでは、物質の分離法および機能発現に関するアプローチ他、呼吸，循環に関する生体情報の計測法や生体計測技術により運動中に得られた生体情報を応用生理学的解釈へ導くための解析法についても紹介する。また、工学分野で生産管理や品質管理で使用される分析機器について、ハードウェアおよびソフトウェア，AD変換などの計測技術について解説し、工場などで使われているライフサイクル管理システムにおける分析機器や分析化学の位置づけ，ラインモニタリング技術に対する理解を深める。小型・軽量化が進むセンサーやその周辺の電子回路，AD変換器，マイコン制御についても解説し，IoT(Internet of Things)やIoE(Internet of Everything)を目指した周辺技術など最近のトピックも紹介する。

💯 量子化学計算ソフトを使って酸化還元電位を議論してみよう