大学教育の質の保証・向上ならびに 電子化及びオープンアクセスの推進の観点から 学校教育法第百十三条に基づき、 教育研究活動の状況を公表しています。
第百十三条 大学は、教育研究の成果の普及及び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。
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A.エネルキ?ー化学_まとめ.pdf
A. エネルギーの種類には化学、熱、運動・位置、電気、光がある。工業では燃費をいかに下げるか、というのがポイントになる。pV=nRTは理想気体の状態方程式である。この式のpV、nRTの量名はエネルギーで単位はJ（ジュール）である。pV線図を書いたとき、pは示強因子、Vは示量因子である。nRはエントロピーSであるため、ST線図も書ける。このときTが示強因子、Sが示量因子である。 グループワークでは、1kWhで作れるモノについて話し合った。アルミニウムの電解精錬の理論電解電力は3490kWh／tであることがわかる。これを用いると、1kWhではアルミニウムを約0.29kg製錬できる計算になる。アルミ缶（350mL缶）1つの製造には、アルミニウムが15～20g必要であるため、20個程度できる計算になった。 事後学習ではダイエットに必要なエネルギーと運動強度を計算した。3kgの減量を目標とする。内臓脂肪1kgは7000kcalに相当するとしているので、3kg減量するためには21000kcal消費する必要があり、これは24.4kWhに相当する。50kgの人間がバレエを1時間すると仮定すると、0.29kWh消費でき、24.4kWhの消費には84時間が必要である。
A.エネルキ?ー化学_1.pdf
A. 油は燃えるため、灯りとして利用できるが、液体であるから、持ち運びに不便である。そこで持ち運びに便利な蝋燭というものが誕生する。実際教卓で燃やした蝋燭（2hで完全に燃焼と推定した）の燃焼エンタルピーは37.5Wであるが、明るさは1.5W分程度であった。このことからほとんどが熱エネルギーとして放出されているとわかる。化石燃料とガソリンを比べると、ガソリンのほうがエネルギー密度が高い。そのためガソリン車が普及した。電気自動車というものも存在するが、エネルギー密度は圧倒的に化石燃料の方が高い。 グループワークでは1kWhで走れる距離について話し合った。1kWhで走れる距離について、トヨタの「ヤリス」を選んだ。ヤリスは平均燃費は14.1km/Lだった。ガソリン1Lの発熱量は35MJで、単位換算すると、約10kwhである。エネルギーの変換効率を30％とすると、4.7km/kWhとなり、1kwhでは4.7km走れる。ただし、用いた燃費の数値が市街地モードで、都会のような、交通量や信号機が多いような道での燃費であるから、米沢ではもう少し走れる距離が多いのではという意見が出た。 事後学習では蝋燭1本の燃焼エンタルピーを求めた。蝋燭に含まれるパラフィンの燃焼エンタルピーは42kJ／gであるため、蝋燭1本の燃焼エンタルピーはΔH＝42kJ/g×6g＝252kJである。また、2時間で全て燃焼した場合のワット数は、 252kJ/7200s＝37.5Wである。
A.エネルキ?ー化学_2.pdf
A. 示強因子とは物質の量にかかわらず一定に保たれる性質を表す物理量のことで、示量因子とは物質の量に比例して変化する性質を表す物理量のことである。また、エントロピーとは原子的配列および運動状態の混沌性・不規則性の程度を表す量のことである。pV線図は力学的エネルギーを、ST線図は熱エネルギーを表すグラフである。エネルギーの輸送方法について、石炭や石油はタンカーやパイプライン、鉄道などを用いるが、電気エネルギーは電線で運ばれる。 グループワークでは送電に伴う電力ロスを計算した。市街地の電圧を6.6kV、自宅までの電線の距離を5kmとすると自宅までの抵抗は0.775Ωと計算できた。家電として電子レンジを選んだ。電子レンジの商品電力は1.40kWであり、エネルギー損失は42.07kWと計算できた。 事後学習では化学結合の種類と電気の流れやすさを学んだ。イオン結合は、固体の状態ではイオンが固定されているため電気を通さなない。金属結合は、自由電子が移動するため電気を通しやすい。共有結合は非金属原子間で電子を共有する結合であるため、一般的に電気を通さない。しかし、黒鉛のように共有結合を形成しながらも自由電子が存在し、電気を通すものもある。
A.エネルキ?ー化学_3.pdf
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A.未解答
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A.未解答
A. 電気力線の混み具合は局所的に反応が進んでいるか反応していないかを示す電流密度で表される。電流密度に差があるということは反応の起こり具合にムラがある、ということである。電気量と物質量は比例し、この比例定数をファラデー定数という。電流は反応速度に比例する。電気分解で狙った反応ではない化学反応に電気が使われてしまうことを電流効率が悪いという。 グループワークではメッキについて調べた。メッキを施された工業製品として、半導体を選んだ。用いられるメッキの方法として、乾式メッキと湿式メッキの2つがある。半導体製造に用いられる乾式メッキは乾式化学蒸着メッキと呼ばれ、気体を用いて薄膜を形成する成膜技術である。反応室内に、膜にしたい物質の原子を含む原料ガスを導入し、基板表面、またはガス相中で、熱、プラズマ、光などのエネルギーによって化学反応を起こし、基盤表面に薄膜を形成する。湿式メッキは主に2つの方法があり、電解メッキと無電解メッキである。 事後学習では3mgの銅を析出させるための時間を計算した。3mgの銅を析出させるのに必要な電気量は9.117C。電流が1mAであったとき、かかる時間は、9117秒である。
A.エネルキ?ー化学_6.pdf
A. ギブズエネルギーΔGとは反応の前後のエネルギー変化を表し、ΔG＜0だと自発的に進む反応、ΔG＞0だと自発的には進まず、逆反応が進むということがわかる。電気エネルギーは電気量と電圧を掛けたものである。25℃で水素気体電極が示す単極電位を標準水素電位電極とよび、これを零と定義している。標準電極電位はΔG/nFで表され、このときのnは電子数を表し、単位は無次元である。 グループワークでは電極近傍の電位プロファイルを描いた。アノードに銅、カソードに亜鉛を使う電極について考えた。銅電極では高く、銅電極と亜鉛電極の間で電位が少し下がり、亜鉛電極で一番低い電位を取っている。 事後学習では電位差計について調べた。電位差計は零位法という測定原理に基づいて、未知の電圧を非常に精密に測定する装置で、既知の電圧を持つ回路と被測定電圧の回路の二つの回路を組み合わせて構成される。
A.エネルキ?ー化学_7.pdf
A. pH電位図とは横軸pHで縦軸Eのグラフである。理論分解電圧とは電気分解を行うために理論上必要となる最小の電圧のことで、実際に実験で得た分解電圧との差を過電圧という。活性化エネルギーは過電圧に対応する概念で、過電圧を小さくすることでエネルギー効率を上げることができる。ΔGの差分だけでは反応は進行しないときには活性化エネルギーを利用している。 グループワークでは水電解のエネルギー変換効率を求めた。電解槽の温度が70℃、標準状態が25℃であるから、熱エネルギー収支を求めるには低圧モル熱容量にΔT＝70-25と、求めたい物質の反応式から得られる量論比を掛けることで求めることができる。 事後学習では分解電圧と理論分解電圧から過電圧を求める方法とエネルギー効率の高い電解槽の設計方法を考えた。過電圧は理論分解電圧から分解電圧を引くことで求めることができる。理論分解電圧はギブズの自由エネルギーΔGを（ーnF）で割ることで求められる。また、過電圧が小さくなる金属を電極として選べば、エネルギー効率の高い電解槽を設計することができる。
A.エネルキ?ー化学_8.pdf
A. 電流電圧特性とはある電気回路や素子に電圧を印加したときに、その素子から流れる電流をグラフで表したもので通常、横軸に電圧、縦軸に電流をとる。エネルギー準位図とは原子や分子、結晶などの系がとりうるエネルギーの離散的な値を可視化した図である。縦軸はエネルギー[eV]、横軸は距離をとる。ここで、フェルミ準位に一番近い電子対をHOMO、電子対がいない一番下をLUMOと呼ぶ。 グループワークでは電気化学測定法を調べた。測定方法としてクロノアンペロメトリーを選んだ。拡散係数の測定や反応速度定数の決定に用いられる。ポテンショスタット、参照電極、作用電極、対極、データロガーという装置が使われる。ポテンショシュタットは電位ステップを印加し、時間に対する電流応答を測定し、参照電極は電位の基準となる電極となり、作用電極は測定対象の反応が起こる電極となり、対極は作用電極での反応を補助する電極となり、データロガーは電流-電位曲線を記録・表示・解析する役割を果たす。 事後学習では、交流インピーダンス法の応用事例を調べた。交流インピーダンス法の実行に必要な機材には、ポテンショシュタット/ガルバノスタット、周波数応答アナライザ、3種類の電極（参照電極・作用電極・対極）、電解セル、データ処理用PCとソフトウェアである。交流インピーダンス法は腐食研究と防食技術や生体組織の特性評価に応用される。体脂肪計は生体電気インピーダンス法を用いており、人体に微弱な交流電流を流して、その際のインピーダンスを測定することで体脂肪率などの体組成を推定している。
A.エネルキ?ー化学_9.pdf
A. ガスセンサは、溶存酸素の検出をする酸素センサやn型半導体を利用するガス漏れセンサがある。CO，メタン，プロパンなどの都市ガスの成分は正電荷吸着し伝導帯上の電子が増加、蓄電層の形成されるためセンサとして働いている。n領域の電子がp領域へ、p領域の電子がn領域へ拡散し、遷移領域に電位障壁が形成される。この遷移領域が空乏層（空間電荷層）という。 グループワークでは電気化学センサーについて調べた。グルコースセンサを選んだ。基質還元体が酵素によって酸化体に、メディエーター酸化体が酵素によって還元体になるというシステムにより電子が流れ、電流が下がるという仕組みにより、電気化学センサーとして働いている。グラフによるとグルコース添加によって電流が下がっていることが確認できる。 事後学習では酸素センサーと湿度センサーを調べた。ガルバニ電池式酸素センサーに使われる電極材料は貴金属または鉛、亜鉛がある。測定原理は電解液を介して、空気中の酸素と負極が化学反応を起こすことで電流を発生させる。抵抗式湿度センサーに使われる電極材料は金や銀、カーボンアドである。吸湿性の高い高分子膜を感湿素子として使用し、この膜の表面や内部に電極を形成する。空気中の水蒸気が高分子膜に吸着されると、膜の誘電率やイオン導電性が変化することで抵抗値が変化する。
A.エネルキ?ー化学_10.pdf
A. アノードとは、陽極でここでは酸化反応が起こる。カソードとは陰極でここでは還元反応が起こる。銀のアノード酸化ではAg電極にAgClが生成する。これはイオン結合であるから電気を通さないのではないかと思われるが、AgClが個体電解質であるから、電気を通して反応が続行している。アルミニウムの電解着色法として浅田法がある。アルマイト処理によってできた多孔質の皮膜中に、金属イオンを電着させることで着色している。 グループワークではアノード酸化膜の機能と応用を話し合った。アノード酸化を応用した工業製品として車のエンジン部品を選んだ。これは硬質アルマイトというアルミニウム合金の表面を酸化させて硬く耐摩耗性に優れた酸化皮膜を形成する処理を用いて製造される。製造工程は、最終形状にする形成加工、洗浄、脱脂、硬質アルマイト加工、仕上げ加工、検査がある。硬質アルマイト加工は通常のアノード酸化より、高い硬度、優れた耐摩耗性、耐食性、および高い絶縁性を付与する性質を持つ。 事後学習では鉄の不動態化とボルタモグラムについて調べた。電流を正の方向に流すと、鉄が溶解して電流が増加する。電位が不動態化電位を超えると、表面に緻密な酸化被膜が形成されるため、電流が急激に減少する。さらに電位を上げると皮膜の破壊や溶解が起こり、電流は増加する。
A.エネルキ?ー化学_11.pdf
A. エッチングは物質の酸化還元電位に依存する。大きい方が酸化体、小さい方が還元体となる。エッチングするものをエッチャントという。エッチングにはドライエッチングとウェットエッチングがある。不動態と活性態について、不動態とは、金属の表面が酸化皮膜などの安定な保護膜に覆われ、化学反応しにくくなっている状態、活性態とは金属の表面がむき出しで、酸や水などと反応しやすい状態である。 グループワークでは電位ーpH図を書いた。亜鉛の電位-pH図を書いた。電位が-0.9以下では亜鉛、それより高いとpHによって水酸化亜鉛や亜鉛イオンとして存在するということがわかった。 事後学習ではウェットエッチングとドライエッチングについて調べた。ウェットエッチングは化学的な溶液であるエッチング液を用いて、材料を溶解・除去する方法である。特徴は低コストで量産性が高いことである。用途としてはプリント基板の製造やめっき加工の前処理がある。ドライエッチングは、プラズマ化されたガスを、生成されたイオンやラジカルの物理的衝突作用や化学反応を利用して材料を削り取る方法である。特徴は高精度で細微加工ができ、またプロセスが密閉された空間内で行われるためクリーン性が高い。用途としては半導体デバイスや光学デバイスの製造に用いられる。
A.エネルキ?ー化学_12.pdf
A. 電気エネルギーの示量因子はzF、示強因子はEである。また、電力量の単位はkWh、電気量の単位はAhである。電池とは化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。乾電池は少量のノリであるから中身が乾いている。そのため、倒れても液体が漏れる心配がなく、横にできるという利点がある。二次電池にするには固液だと状態が変わってできないため、固相反応にする必要がある。 グループワークではアルカリ乾電池の構造を調べた。正極には二酸化マンガン、負極には亜鉛が利用される。電解質は水酸化カリウム水溶液が使われる。 事後学習では電池効率と安全性を向上させるにはどうしたらいいかについて考えた。高性能電極材料の利用や、電解質の最適化で電池効率が向上できるのではないかと考える。セパレーターの高耐熱化や、全個体電池の開発で漏れや発火リスクの排除ができ、安全性向上が期待できるのではないかと考えた。
A.エネルキ?ー化学_13.pdf
A. 波長と色との関係について、黄色を示すのは580nm付近、青色を示すのは450nm付近である。この波長の数値と色を結びつけることが重要である。蛍光灯は成分として水銀が含まれるため、取り替えが進まれている。LEDはバンドギャップが大きく必要な電圧が多いというデメリットがある。白色LEDの色の出し方は赤色＋青色＋緑色LEDの組み合わせと青色LED＋黄色蛍光体の2パターンがある。 グループワークではイオンの移動度から泳動速度を求めた。BrO3-の移動速度を求めた。イオン移動度は5.0×10^4である。イオン伝導率は68.0であったため、1mol/Lの導電率は0.0680A・V/cmと計算できるよって。速度は7350cm/sと計算できた。 事後学習では光合成とチラコイド膜について調べた。チラコイド膜は太陽光をエネルギーとして、内部で電荷を分離させ電子とホールの生成を行っている。電子の移動を通じてプロトン濃度の勾配と膜電位が生じて、この合計がプロトン駆動力と言われる一種のエネルギーになる。このエネルギーを用いてATP合成酵素がADPとリン酸からATPをせ合成している。
A.エネルキ?ー化学_14.pdf
A. 力学には古典力学と量子力学があり、熱力学には古典熱力学と統計熱力学がある。古典力学と古典熱力学は19世紀まで、量子力学と統計熱力学は20世紀以降の学問である。エネルギーの種類は化学、熱、運動・位置、電気、光に加え、原子力が出てきた。原子力は原子核の変化によって得られるエネルギーである。ウラン精製（ウラン濃縮）とは天然のウラン鉱石から原子力利用に適した形のウランを取り出して、濃縮・転換・燃料加工する一連のプロセスである。 グループワークでは熱くなる工業製品について話し合った。工業製品としてはスマートフォンを選んだ。待機消費電力は、スリープ状態では1～50mW、画面オン状態では数百mW消費し、ゲームなどでは2～5W消費する。 事後学習ではヒトはなぜ情報にエネルギーを使うのかについて考えた。情報を得ることで、さまざまな状況に対応でき、生き延びるという生存本能に対応できる。また、情報は資源であり、財産となるため、エネルギーを使うのではないかと考えた。
A.エネルキ?ー化学_15.pdf
A.使用電力の計算に最も力を注いだ。1月、2月、3月の電気使用量を電力会社のマイページから調べ、自分の在宅日数と電化製品とその使用電力を照らし合わせながら、家電の使用時間を推定した。LED照明、テレビ、冷蔵庫に関しては、使用時間が大抵定まっていると最近の生活を振り返って感じたため、固定してそのほかの家電について時間を計算した。参考した電気使用量が冬の時期であったため、その他の月に比べて、電気使用量と電気代が大幅に上がっていたことから、米沢では暖房の電気使用量に月々の電気代が依存していると感じた。このことから、節電のためには、暖房の電気使用量を減らすことが最も良いとは考えたが、風邪を引いた場合の医療費とを天秤にかけて考えると、医療費の方が高くつくと考えた。そのため、節電方法は24時間稼働が必須となっている冷蔵庫について考えた。
A.電気使用量.pdf
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A.未解答
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A.未解答
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A.未解答
A.はい 特にアルマイト加工について、化学実験でも実際にアノード酸化の実験を行ったことから、原理の理解が深まりより身についたと感じた。エネルギーは枯渇していくことが問題視されている現状があるため、再生可能エネルギーとの割合を考えていくことで持続可能な社会を形成できると感じ、エネルギーが社会に与える影響について、さらに理解が深まったと感じた。
A.エネルギー化学 ポスター.pdf
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A.未解答
A.①?③を以下に示す。 ①【講義の再話】 ｐｖ＝ｎRT（理想気体の状態方程式） 圧力（P：Pa）を縦軸に体積（V：m^3）を横軸に取ったときのグラフにできる面積は（力学）エネルギー（単位はジュールJ）を表している。 エントロピー（S：J/K）を縦軸に温度（K）を横軸に取ったときのグラフにできる面積は熱エネルギー（J）を表す。 電圧（V）を縦軸に電気量（Q：ｃ）を横軸に取ったときのグラフにできる面積は電気エネルギー（JまたはkW/J）を表す。 すなわち気体方程式の左辺は仕事を表し、右辺は熱を表している。この２つから燃費を求めることが可能であり、この燃費というのは蒸気機関などモノを動かすのに重要な要素である。 ②【発表の要旨】 演題 1キロワットアワーで走れる距離 グループ名 クラウン 役割 責任著者 共著者 鈴木結惟、原野未優、高橋香桃花、三船歩美、大坂琉音 クラウンの燃費は、モデルやグレードによって異なるが、ハイブリッド車の場合は、WLTCモードで18.0km/L?20.3km/L程度が一般的である。クラウンSPORTS RSなどの電気自動車（EV）モデルでは、電力消費率が約6.06km/kWhである。 クラウンの燃費（ハイブリッド車）: 新型クラウン（セダン）:WLTCモードで18.0km/L クラウンSPORT RS (EV):電力消費率 6.06km/kWh クラウン（スポーツ）PHEV:WLTCモードで20.3km/L クラウンSPORTS RS (EV) の電力消費量: 電力消費率:約6.06km/kWh 一充電消費電力量:14.85kWh/回 EV航続距離:約90km これらの情報から ガソリン１Lあたりの発熱量を33.4MJを電気量に換算すると3.21ｋWｈガソリン車のほうがお得だということが分かった。 ③【復習の内容】 トピック名 ロウソク一本の燃焼エンタルピーを求めよう 化石燃料の一般的な燃焼エンタルピーを５０MJと知っていたのでこれによりパラフィンが燃焼する際の熱量は約２７０ｋJと求まった。 またW（J/s）は単位時間あたりに消費される熱量を表したものである。そのため２時間あたりに消費される電力（W）は２７００００J/3600×２ｓ＝３７．５Wであることが求められた。
A.Adobe+Scan+2025年4月23日.pdf
A.①?③を以下に示す。 ①【講義の再話】 エネルギーとは以下の2つの積である。力、熱、電気エネルギーのグラフを例に挙げた。 示強因子 量によらず一定の値を示すもの。（グラフの縦軸）p、T、V（電圧）など 示量因子 量により、数値が変わるもの。（グラフの横軸） この二つの因子の積がエネルギーである。力、熱、電気エネルギーはそれぞれpV、T・ΔS、V（電圧）・Cである。 電力量（kWh）と電力（W）は区別しなければならない。前者は時間的な要素が入り、電気エネルギー（J）に変換できる。 送電用ケーブルには良導体（CuやAlなどの金属や合金）が使われる。機能というのは材料の物性とエネルギーが合わさってできるものであり、例として光物性や熱物性という言葉がある。物性の数値を物性値といい物質固有の値である。CuやAlはAuやAgに次いで電気抵抗がすくないため電気を送るのに適している。合金が扱われるのは電気抵抗が小さいためである。なお銅は重く、アルミは潮に弱い特性があるため、海の近くでは送電線に銅を使って地中に埋めるという工夫がなされることがあることが分かった。 グループ演習では送電線のエネルギー損失を調べた。 ②【発表の要旨】 演題 送電に伴う電力ロス グループ名 純アルミニウム 役割 責任著者 共著者 鈴木結惟、原野未優、高橋香桃花、三船歩美、大坂琉音、百々柚香 市街地の電圧 6600V、純アルミニウムの電気抵抗率 2.65×10＾－8Ω・ｍ 公称断面積 0.0001m^2、1km 1000m、1kmあたりの抵抗 0.265Ω/km、 1kmあたりの抵抗（カタログスペック） 配線までの長さ 5000m 、自宅までの抵抗 0.7285Ω、 IHコンロの消費電力 500w 電流 0.0758A、発熱 0.0015225946W 以上の値を式に代入すれば送電線のエネルギー損失を求めることができる。 ③【復習の内容】 トピック名 化学結合の種類と電気の流れやすさ 化学結合の種類にはイオン結合、共有結合、金属結合がある。電気の流れやすさについて、金属結合では電子が自由に動けるため電流が流れやすい。
A.Adobe+Scan+2025年4月30日+(1).pdf
A.①?③を以下に示す。 ①【講義の再話】 光エネルギーｈｖ（エイチニュー）で表される。 示強因子は周波数μ（Hz：1/s）である。示量因子はｈでプランク定数といい単位は（J・s）である。 周波数（Hz）が高い方は光エネルギーが大きく、光の波長は短い。 ネルンストの式について調べた。変形すると電気エネルギーと熱エネルギーの平衡を表した式であることが分かった。（ΔEF＝RT）→eE＝kBT 気体定数Rをアボガドロ定数NAで割るとボルツマン定数ｋBが得られる。ファラデー定数Fをアボガドロ定数NAで割ると電気素量eが得られる。2つともマクロの表現（molあたり）を粒子数で割ることでミクロの表現にしている。 金属結合における自由電子というのは電子がどこにあるかわからない状態を表しており、これを非局在化という。この電子の非局在化により電気が流れる。炭素と草部手見ると炭素の電子はすべてが非局在化するわけでなく、平面上で非局在化するため、金属結合より電気の流れやすさが劣る。 抵抗器1つ当たり何Ωかを測定した。結果は1.794Ωであり、抵抗計への当て方が弱いと測定値が安定しないことが分かった。 オペアンプはイマジナリショート（電圧が等しい）によって電圧はかけた時地点と出てくる地点で等しくなることが分かった。 ②【発表の要旨】 演題 抵抗器の電気抵抗を実測しよう グループ名 10円玉 役割 責任著者 共著者 鈴木結惟、原野未優、高橋香桃花、三船歩美、大坂琉音 授業中測った抵抗値は1.794であった。これは実測値から得られた結果であり、教科書に示されていた値とは異なっていた。これは抵抗器が工業製品であるためばらつきがあることと、個人誤差によるものであると考えられる。教科書に示されていた値と実際に測った値では後者の方が信頼性があると感じた。なぜなら教科書に示された値は自分で読み取る必要があり、その際に間違えてしまう可能性があるからである。また測定する際には押し付け方が弱いと測定値が不安定になることが分かった。 ③【復習の内容】 トピック名 人間電池を直列つなぎにしよう 人間が2種類の電池に触れると電流が流れることが分かった。その強さは触れている金属によって異なる。調べてみると人間電池1個の起電力は0.4?0.6Ｖくらいであることが分かった。
A.Adobe+Scan+2025年5月7日.pdf
A.①?③を以下に示す。 ①【講義の再話】 二個ある電極のうち酸化が起きる極（O2が発生）をアノードまたは陽極、還元が起きる極（H2が発生）をカソードまたは陰極という。極間の電解質により電流が流れる。このアノード、カソード、電解質をセルという。ここに隔膜が加わると電解槽を形成する。例えば硫酸銅の電気分解により、カソードで還元が起こり（電子を受け取り）、銅が析出する。 バイポーラ（複極）とモノポーラ（単極）について、単極は低電圧、大電流の様式であるのに対し、複極は一つの電極の片側がアノード、反対側がカソードと二つの役割を担っているので大電圧、小電流である。 電池の表記（電池式について） 化学式Zn、Zn2+の間に界面（｜）を描いたものを電池式という。｜｜は隔膜があることを表す。アノードでからカソードに電気（電流）が流れるので原則としてアノードは左側に書く。 例：Zn｜Zn2+||Cu2+｜Cu 電位について 電圧Vと混同しやすい。電圧は２点間、電位は点を表している。電圧をかけるとアノードからカソードへ電流が流れ、その時に電位が小さくなっていく。この電位の傾きのことを電位勾配という。電位が等しい点をつないだものを等電位線といい、向きがあるベクトル量である。 ②【発表の要旨】 演題 等電位線と電気力線を描いてみよう グループ名 センター！！ 役割 責任著者 共著者 鈴木結惟、原野未優、高橋香桃花、三船歩美、大坂琉音 等電位線は向きがあるベクトル量であるため、図で表されるときは矢印が用いられる。 電気力線は電解質中は電気が流れるが、空気中は流れないので書かない。 ダニエル電池の等電位線及び電気力線から亜鉛版（アノード）から銅板（カソード）に電流が流れることがわかった。 ③【復習の内容】 トピック名 参照電極と半電池 銀塩化銀電極では銀の棒やシートに塩化銀（AgCl）をコーティングしたもの、または、銀を塩化物溶液中に浸して表面にAgClを析出させたものが一般的である。 また、銀と塩化銀の間に可逆な酸化還元反応が起こることで、電位が安定する。
A.Adobe+Scan+2025年5月14日+(6).pdf
A.①?③を以下に示す ①【講義の再話】 ものを最も特徴づける図を正面図という。正面図に対応した図を平面図という。 電気力線は以下のことに注意して書く。 アノードからカソードへ電気が流れる。すなわち電位が高い方（アノード）から低い方（カソード）へ電気が流れること、等電位線に垂直であること 等電位線は以下のことに注意して書く。 電位の等しいところで結ばれること（アノードが3ボルト、カソードが０ボルトだとすると真ん中は1.5ボルト、その半分は7.5ボルトであると考えられる。） 電気力線の分布を電流分布といい、電気力線の混み具合を電流密度（A/m^2）という。電流密度の大きい部分では反応速度が高い。 これは電流の単位はAでありC/Sに等しい。電流は反応速度に比例する（mol/s）からである。 電気量Qの単位はC（クーロン）でありQ=ｎF（F：ファラデー定数、電子1mol当たりの電気量）と表される。電気量は物質量に比例する（ファラデーの法則）。 電流効率とは（実際に得られた目的の量）/（流れた電気量から計算される理論生産量）である。 ②【発表の要旨】 演題 めっきについて調べよう グループ名 三価クロム 役割 責任著者 共著者 鈴木結惟、原野未優、高橋香桃花、三船歩美、大坂琉音 車のめっきの建浴について調べた。 工業用クロムめっきが要求される特性として、めっき皮膜の硬さ、耐摩耗性。耐食性、耐熱性などが挙げられる。また大気中で変色を防ぎ商品の美観を維持することもできる。 現行するクロムめっきに多く使用されるのは6価クロムめっきである。しかし最近、3価クロムの特性に注目があつまっている。その特性とは6価クロムにない特異的な高耐食性である。この高耐食性により自動車外装部品の塩害対策などが講じられている。 ③【復習の内容】 トピック名 建浴について 建浴は以下のようにして行うとあった。 めっき液はチタンに特殊コーティングされた不溶性陽極を用いたシングルセル方式仕様となっており、三価クロムとして約10g程度に設定されている。また、竜析に消費される竜力量はイオンの価数を反映して、六価クロムめっきに対して約半分に設定されている。また、浴温が低下するとホウ酸が晶出して電解浴が劣化するため、非生産時も浴温を常に50°C近辺に保ち続ける必要がある。
A.Adobe+Scan+2025年5月21日+(1).pdf
A.①?③を以下に示す ①【講義の再話】 ΔGとΔHを用いて電池の理論エネルギー変換率を表すことができる。ΔG/ΔHはほとんど1に近い値、すなわち電気エネルギー変換効率が100％に近いということを意味する。 －ΔG[kJ/mol]＝ｎF[C/mol]E_cell[V]となる。この場合ｎは無次元である。示強因子は電圧[V]である。つまり電気エネルギーは電気量[C]×電圧[V]で表される。 標準酸化還元電位[V]はE＝ΔG/nFで表すことができる。銅の標準酸化還元電位は0.337[V]、亜鉛の標準酸化還元電位は-0.7627[V]である。この電位では各式は平衡になっており、電流は流れない（反応速度は見かけ上０である。）この二つを反応させると銅の標準酸化還元電位のほうが大きいため反応が右側に進む。すなわち亜鉛から電子が流れて銅が析出する。これのE[V]の差を起電力という。この酸化還元電位は標準水素電位電極をゼロと定義し、基準とすることで定められている。また標準水素電位電極は水素の分圧＝１、水素イオンの活量＝１、25℃の条件で定められている。 活量とはイオンの自由度ともいえる。活量が1のイオンは自由に動ける。活量が1の時ｐHは０である。（ほかのイオンだけが存在しているのかしら） 塩化銀電極では塩化物イオンの活量が変化するのでネルンストの式ではE＝0.2224－RT/１・F×ln[Cl塩化物イオン]と表される。（一般式：E＝0.2224+（RT/１・F×ln[酸化体]）酸化体はFe２+とFe３+ならFe3+） ②【発表の要旨】 演題 電極近傍の電位プロファイルを描いてみましょう グループ名 ダニエル☆ 役割 責任著者 共著者 鈴木結惟、原野未優、高橋香桃花、三船歩美、大坂琉音 電位差計は電気を流さない、すなわち平衡状態の時に電位を測る機器である。縦軸が電位、横軸が距離を表したグラフを描くと電位が分かる。この電位の形を電位プロファイルという。 ③【復習の内容】 トピック名 電位差系について調べよう 電位差計は電気を流さない、すなわち平衡状態の時に電位を測る機器である。縦軸が電位、横軸が距離を表したグラフを描くと電位が分かる。この電位の形を電位プロファイルという。
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A.①?③を以下に示す。 ①【講義の再話】 ネルンストの式について、縦軸に電位[mV]、横軸に濃度（右側に酸化体）を取ると真ん中で標準酸化還元電位の0.75ｍVをとおり、右側に行くほど電位が高い形になる。アミノ酸のグラフに似ている。電位が高いということは酸化力があるということである。 H_2 Oは電気を流す。なぜなら水溶液中でH^+ 、OH^-に電離するからである。すなわち式の中にH^+ 、OH^-が入っているものはｐHの影響を受ける。 テキスト90ページのグラフについてZnの平衡反応にはH^+が存在しないため電位はｐHによらない。点線の傾きはRT/ｎ・Fである。①は水素の平衡反応を表している。ｐHが1の時のｙ切片の電位以下になると水素が発生する。②はｐHが1の時の電位は1.23ｍVである。これは理論分解電圧といい、起電力に等しい。 ｘ軸に電圧、y軸に電流を取ったグラフに表すと水の理論分解電圧1.23ｍV、分解電圧が1.7ｍVであることが読み取れる。このことから、過電圧は0.47mVであることが分かる。工業において過電圧を下げることが大切である。 ターフェルの式について、横に過電圧、縦に電流密度（電流）を取ったグラフに取ると、過電圧の増加により、電流は指数関数的に増加していくことが分かる。このとき電流の式に着目すると、アレニウスの式に等しいことが分かる。電流が0の時、反応速度も0ということになるがこれは見かけの反応速度であり、実際はある反応が同じ速度で起こっていることを表す。この時、反応速度がおなじ０でも各反応速度の大きさはわからない。過電圧が0の時の電流を交換電流密度という。交換電流密度はアレニウスの式のｋに等しい。 ②【発表の要旨】 演題 水電解のエネルギー変換効率を求めてみましょう グループ名 空白 役割 責任著者 共著者 鈴木結惟、原野未優、高橋香桃花、三船歩美、大坂琉音 過電圧が活性化エネルギーに相当する。この、活性化エネルギーを下げることが工業において大切であり、活性化エネルギーが低ければ効率が良いと言える。 ③【復習の内容】 トピック名 分解電圧と理論分解電圧から過電圧を求めるには？ 分解電圧から理論分解電圧を引いた値が過電圧である。
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A.①?③を以下に示す。 ①【講義の再話】 ターフェルの式について、授業では横軸が過電圧、縦軸が電流だったが、実際は縦軸に過電圧、横軸に電流密度（?i）をとる。電流密度が0の時?i=0となりiは１となりグラフの縦軸は１を通る。 電気の流れ方において電気伝導の考え方が必要である。電気伝導はキャリアー（電気を運ぶもの）種類による。 金属と電解質の境界（界面）において電子とイオンが交換される。この移動のことを電荷移動という。たーふぇるの式は電荷移動の際の過電圧を表している。バルクの種類によってキャリアーの抜け道が異なる。金属では正孔、液体では空孔と呼ばれる。 p-n接合の電流電圧特性は縦軸に電流、横軸に電圧を取ったグラフで表される。ｐに正、nに負の電圧をかけると順バイアスとなり、拡散電位が低くなり、電子はｎからｐ領域へ、正孔はｐからｎ領域へ流れ込む。 グラファイトについて、その結合様式は共有結合である。σ電子とπ電子がある。σ電子のほうが電位が低い。縦軸にエネルギー（eV）、横軸に距離（ｍ）をとったグラフをエネルギーダイアグラムという。 Hについて下から順に１ｓ、２ｓ２ｐ、３ｓ・・・とっていくと上になるにつれ原子軌道が混み、無限ｓになる。 H２になると軌道に電子が入っていると電子の数/2だけ新しい軌道ができる。この軌道を分子軌道といい、ｓ軌道から作られたものをσ、ｐ軌道から作られたものをπ、ｄ軌道から作ったものをδで表す。 ②【発表の要旨】 演題 電気化学測定法を調べよう グループ名 空白 役割 責任著者 共著者 鈴木結惟、原野未優、高橋香桃花、三船歩美、大坂琉音 電気の流れ方において電気伝導の考え方が必要である。電気伝導はキャリアー（電気を運ぶもの）種類による。固体の電気伝導はキャリアーが電子である。電子が入る余地のある軌道に電子が移動することによっておこる。この軌道にすべて電子が詰まると電子が移動することができないため電気は流れない。液体の電気伝導はキャリアーがイオン化原子、または分子である。イオン濃度が大きくなりすぎると相互作用が働きキャリアーの移動が制限されるため、電気が流れづらくなる。 ③【復習の内容】 トピック名 交流インピーダンス法の応用事例 授業中に体脂肪計は熱伝導率法が用いられると学んだ。濃度の計測方法について液体用と気体用に分類できる。液体用には電極電位法（ｐH、心電図）、気体用には熱伝導率法（体脂肪率）、ガスクロマトグラフ法などがある。
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A.①?③を以下に示す。 ①【講義の再話】 白金を用いた電池で溶存酸素を得てエネルギーに変えることができる。この方式ガルバニ電池方式といわれる。 半導体内部にはｐ型とｎ型の領域があり、この境界が接触してｐ－ｎ接合が形成される。このｐ－ｎ接合が半導体において特性を引き出す最も基本的な接合である。電圧によって空間電荷層ができる。 イオン結合について、共有接合もそうだが電子が局在化するため電気は流れない。イオン結合は電子が非局在化するため電気が流れる。 酸化スズはSnO2で表されるが実際はSn(１＋ｎ)O２というように量論比を取らないで存在する場合がある（金属過剰型）。このような化合物を不定比化合物半導体といい、不定比を取ることで電気を流さない化合物もその部分に電気が流れるようになる。この原理が半導体に用いられている。キャリアーが電子の場合とベーカンシー（欠陥）の場合（ジルコニウなど）とプロトンの場合とがある。 固体電解質とは固体中でイオンが移動するものである。例えばガラス（プロトンが移動）、ナフィオン（フッ素化ポリマー）などがある。 ②【発表の要旨】 演題 電気化学センサーを説明してみましょう グループ名 はたらく細胞！ 役割 責任著者 共著者 鈴木結惟、原野未優、高橋香桃花、三船歩美、大坂琉音 高分子膜、電極の表面にある抗体に特異的に抗原が結合すると膜電位変化が起こる。この原理は抗体が特異的に抗原に結合することで可能となる。抗体に目的化合物ではなく、似たような構造をもつ化合物が結合してしまう可能性もあると考えた。この技術が検査キットに応用されている。 ③【復習の内容】 トピック名 酸素センサ、ガス漏れセンサ、湿度センサ ガスセンサその原理は「導電率の変化」である。半導体表面に吸着する分子が半導体内の電子を受け取り、陰イオンの状態で存在している場合、半導体内はキャリアーである電子が減少するため導電率は低下する。一方イオン化エネルギーが小さく、半導体内に電子を供与する分子が表面に吸着している場合、半導体内にはキャリーである電子が増えるため導電率は増加する。この導電率の変化を検出する。 プロパンガスが漏れるとｎ型半導体である酸化スズに吸着する。この場合単価水をは正電荷吸着をするため半導体の導電率は増加する。
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A.①?③を以下に示す。 ①【講義の再話】 金属は油と相性が良く、酸化物は水と相性がよい。これは極性によるものである。例えばアルミニウムをアノード酸化するとアルマイトと呼ばれる酸化被膜が生成する。これは親水性であり、着色できるようになる。この原理を利用した着色法が浅田法である。また表面に酸化膜ができた状態を不導体という。 Alの表面にできるAl２O3は体積が大きくなるため表面を完全に覆うことができる。一方Feの表面にできるFe３O4は体積が小さくなる傾向があるため穴のあいた状態となり、一般に不導体化されない。 酸化被膜には多孔質皮膜とバリア皮膜とがある。このような酸化膜は電気分解中は分解されるが電気分解後はイオン結合の化合物であるため電気を流さない、つまり絶縁体となる。これは電気を蓄える働きを持ち誘電体＝コンデンサである。 アルミニウム電解コンデンサについて、皮膜を薄くすると容量が大きくなるが高い電圧に耐えられなくなる。 ②【発表の要旨】 演題 アノード酸化膜の機能と応用を調べましょう グループ名 空白 役割 責任著者 共著者 鈴木結惟、原野未優、高橋香桃花、三船歩美、大坂琉音 アノード酸化膜が用いられていられている工業製品としてスマートフォンを挙げる。その機能は耐食性、耐摩耗性、放熱性、着色である。この酸化被膜は多孔質であるため着色料を浸透させることもできる。さらに酸化被膜を厚くして耐摩耗性を高めることもできる。 ③【復習の内容】 トピック名 銀/塩化銀電極の作り方 銀/塩化銀電極の作り方について、銀線を塩化物イオンの含まれる水溶液中に浸し、陽分極（アノード：陽極、酸化が起きる方）すると酸化還元反応（銀が酸化される）により銀線の表面にAgClが生成する。このAgClはイオン結合であり電気が流れないはずであるが電気が流れる。これはAgClが固体電解質であるためアノード分極中はやはりAg＋となり、電解質の溶液中のCl－と反応してどんどんAgClを析出させることができる。AgClが分解するのはハロゲンのClの原子半径が大きいためイオン結合に必要なクーロン力が弱くなってしまうためである。
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A.①?③を以下に示す。 ①【講義の再話】 Reference electrode（リファレンス エレクトロ―ド）とは測定温度あるいは測定溶液中で、安定な電位を示す適当な半電池のことをいう。 電位が高い方を貴、低い方を卑と表す。貴の方に使われる（電位が高い：イオン化傾向が小さい、すなわちイオンになりにくい）金属を貴金属という。イオンになりやすいということは錆びやすいということなので貴金属はさびにくいということになる。 海水中では腐食しやすい。そのため腐食しづらい金属あるいは合金が使われる。アルミニウムは酸化膜を作るためよく使われる。 プリント配線版とはフェノール樹脂やエポキシ樹脂にCu箔を張り付けた基盤にレジストを置いて配線部分を描き、残りのCu箔部分をFeCl３を用いたエッジング反応によって取り除いたものである。エッジング反応の原理は以下の通りである。鉄の方が電位が高く0.771、銅の方が電位が低い0.337。よって銅の方がイオン化されやすい。酸化が起きる極：アノードは銅、還元が起きる極：カソードは鉄である。アノードでからカソードに電気（電流）が流れる。 横軸にモル分率（右がFe３＋）、縦軸に電位をとったグラフに表すと右側に行くほど電位が高くなりエッチングが進みやすいことが読み取れる。 ②【発表の要旨】 演題 電位ｐH図（プールべダイアグラム）を描こう グループ名 イ、イ、イライラ 役割 責任著者 共著者 鈴木結惟、原野未優、高橋香桃花、三船歩美、大坂琉音 テキスト90ページのグラフについてZnの平衡反応にはH^+が存在しないため電位はｐHによらない。点線の傾きはRT/ｎ・Fである。①は水素の平衡反応を表している。ｐHが1の時のｙ切片の電位以下になると水素が発生する。②はｐHが1の時の電位は1.23ｍVである。これは理論分解電圧といい、起電力に等しい。 ③【復習の内容】 トピック名 ウエットエッチングとドライエッチング エッチングにはウエットエッチング、ドライエッチングがある。ドライエッチングとは液体ではなく気体やプラズマなどの反応性ガスを用いて材料を加工する方法のことである。フォトレジストのSiO２をエッチング除去する際はドライエッチングである。一方FeCl３を用いたエッチングは液体を使った化学反応によるものであるためウエットエッチングである。
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A.①?③を以下に示す。 ①【講義の再話】 腐食電流について、ｐ96の式をもとにその意味について調べた。実際の電圧から起電力を引いた値を過電圧というが、この過電圧は鉄の場合Ecor―E°Feで表される。 トタンは亜鉛をメッキすることで鉄のイオン化。つまり腐食を防いでいる。 鉄とアルミニウム、電解質の代わりに手のひらを使って実験した。この場合アルミニウムが酸化され溶解するはずである。なぜなら銅の方が電位が高くアルミの方が電位が低い、よって銅の方がイオン化されやすいからである。酸化が起こるアノードがアルミ、カ還元が起こるカソードが銅である。 化学エネルギーはギブスの自由エネルギーΔGで表される。電池ではこのエネルギーを電気エネルギーに変換する。電気エネルギーの式は示強因子である電圧E（単位V）と示量因子である電気量ｚF（単位C：クーロン）の積で表される（Fはファラデー定数であり電気量（単位C）に比例する）。この二つのエネルギー効率を表した式はーΔG＝ｎFE cell＝ΔG１―（－ΔG２）＝ｎ１ｎ２F（E１－E２）で表される。電力量の単位は（kWh）であり、電気エネルギー（J）に変換できる。電力量を電圧で割ったものが電気量（Aｈ）である。実際に計算で使われるファラデー定数は26.8で単位は（Ah/mol）である。 乾電池はダニエル電池とは違い横にできるのが利点である。また酸化剤と還元剤が入っているためリチウムイオン電池と違い充電する必要はない。電圧が上がりZnがZｎ２+になるはずであるが、Hgを入れることで水素過電圧が大きくなり防ぐことができる。すなわち自己放電しないためストレージ性能が高いといえる。 ②【発表の要旨】 演題 市販の電池の最大エネルギー密度を見積もろう グループ名 イ、イ、イライラ 役割 責任著者 共著者 鈴木結惟、原野未優、高橋香桃花、三船歩美、大坂琉音 時間がなかったため班のみんなで教科書に載っている例題を説いた。この数値は定数となり得るのか、また成り得るとしたら何を表しているのかについて考えた。 ③【復習の内容】 トピック名 電池効率と安全性を向上させるにはどうしたらよいか 電解質がうまく溶けないと電気が流れない分熱エネルギーに変換されるといっていたので、電解質に着目するとよいと考えた。
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A.①?③を以下に示す。 ①【講義の再話】 蛍光灯について、真空放電すると、IR２の発電が起こる。この熱を利用して熱電子放出が起こり、電気が流れるようになる。このような原理を利用した発電体のことをグローランプという。 LEDは乾電池1個では流れない。なぜなら、乾電池1個ではLEDを点灯させるのに必要な電圧が足りないからである。電圧が高い理由は基底状態と励起状態の差：バンドギャップが大きいからである。 白色LEDは加法混色の原理によって作られる。具体的には青色のLEDに黄色?赤色を発する蛍光体を合わせたり、RGBのLEDを合わせたりして作られている。 電気を帯びたものが動く原理は①対流②拡散③泳動の3つである。それぞれ位置エネルギー、運動エネルギー、電気エネルギーにより動く。電気泳動について、コロイド分散液中のコロイド粒子の移動のような固相移動の起こる場合をいう。タンパク質もコロイドなので、この分離にも利用される。コロイド粒子が散乱する身近な例は雲であり、それよりも小さい粒子で起こる散乱はレイリー散乱と呼ばれ、身近な例は青い空である。 ②【発表の要旨】 演題 イオンの移動度から泳動速度を求めよう グループ名 空白 役割 責任著者 共著者 鈴木結惟、原野未優、高橋香桃花、三船歩美、大坂琉音 電気泳動時におけるイオンの移動速度：ｍ/ｓは（移動度：ｍ＾２/Ｖ・ｓ）（水素イオンの電気×（電場の強さ：V/ｍ）で求められる。水素イオンの場合32.6×10＾－２×1000=326ｍ/ｓである。 ③【復習の内容】 トピック名 色中心について調べてよう 色中心は、本来は透明な物質が着色して見える現象の中心を担う。具体的には結晶格子に見られる欠陥のことで、電子や正孔が捕獲されることで生じる。この原理により特定の波長を吸収・放出するようになり、蛍光体などに応用されている。 黄色が見えるということは青色（450nm付近、6.06×10＾14Hz）の光を吸収して、補色として黄色（570nm付近、5.08×10＾14Hz）の光を放出する。 振動数（１/ｓ）は（真空中の光速：3.0×10＾８ｍ/ｓ）÷（光の波長：ｍ）で求められる。例えば波長380nmの光の振動数は7.89×10＾14Hzとなる。接頭語を用いるとテラ：10＾12を用いて789THzと表される。
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A.①?③を以下に示す。 ①【講義の再話】 光エネルギーはE＝ｈ（プランク定数、示量因子）×ν：ニュー（示強因子） 電気エネルギーは示強因子である電圧Vと示量因子である電気量Qの積で表される。（Fはファラデー定数であり電気量（単位C）に比例する） 電子一個のエネルギーは電気素量eVで表される。 熱エネルギーはｋTで表される。ｋはエントロピーでボルツマン定数1.38×10＾―２３J/Kで表される。これにアボガドロ定数をかけると8.31となり気体定数となる。 気体定数はｐｖ＝ｎRTで使われる。左辺が運動エネルギー、右辺が熱エネルギーを表している。 位置エネルギーは１/２ｍｖ＾２で表され、光の速さcはE＝ｍｃ＾２の式に応用される。 原子エネルギーについて、ウランを分離する必要がある。イオン交換膜、アノード、カソードが使われる。アノード（酸化が起きる）からカソード（還元が起きる）へ電気が流れる。すなわち電位が高い方（アノード）から低い方（カソード）へ電気が流れる。 QをTで割ればエントロピーSになる。 ②【発表の要旨】 演題 ディスプレイを調べてみよう グループ名 Switch 役割 責任著者 共著者 鈴木結惟、原野未優、高橋香桃花 化合物AとBがある場合、化学反応によってそれぞれ色が変化するのをエレクトロクロミズムという。ディスプレイに応用されている。テキスト195ページに説明があり、電気化学的な酸化還元反応が起きることで色がつくと示されていた。例えばゲームをする際，熱が生じる。ここで考えるべきはボルツマン定数である。一つの画素が0と1をとり、この画素の量が増えるほど、つまり状態の数が多いほどエントロピーは大きくなる。つまり情報量[bit]が多いほどエントロピーが大きくなる。 Switchの消費電力が７Wと仮定する。この時の発熱量Qは消費電力（W）×使用時間（ｓ）より７×3600＝25000Jである。 ③【復習の内容】 トピック名 変換効率について 例えば電池について、化学エネルギーがすべて電気エネルギーに変換されるわけではない。そのため変換効率について考える必要がある。化学者がその知識を生かして変換効率の高い材料および仕組みを開発すれば世界的な発明になると考えた。
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A.【課外報告書】使用電力量を分析してみよう 説明を以下に示す。 【書誌情報】 題目 使用電力量を分析してみよう 著者 増子香奈 提出日 2025年7月29日 キーワード 消費電力、家電、時間 【要旨】 ・緒言 東北電力のよりそうeネットのマイページより5，6，7月請求分の電気使用量をグラフで可視化した。 ・方法 使っている家電の消費電力を調べグラフにまとめた。そのあと使っている家電の消費電力をグラフにまとめた。 ・結果・考察 電気使用量のグラフを見ると4月前半（最大7.6kWh）と7月後半（最大5.8kWh）が多かったためエアコンによるものであると考えた。この二つの月の中で最も消費電力が高い日の差を比べると4月前半の方が消費電力が1.8kWh高いことが分かった。 4月は暖房、7月は冷房によるものであると考えられる。 アラジンのオーブントースターを用いたときブレーカーが落ちたことが２回あったが、グラフを見て消費電力が高い（1250?1430W）ため起こったと考えられる。この製品は付加価値として「余熱の必要がなく一気に焼き上げるため外はカリッと中はふわっと焼きあがる」とあるが、これを可能にするには相当な電力を消費するものだということが分かった。 まとめ 普段どんな家電を使っていて、消費電力がどのくらい使うのか、また使う頻度、モードによっても電気代への影響の仕方が異なることが分かった。 私の場合、寒がりで4月の前半はエアコンを使用していたため電気量が高くなったと考えれられる。今回の課題でエアコンは消費電力量が大きく、使用時間も長いことに気づけたため、来年のこの時期は消費電力量の少ないこたつなどで対策しようと思った。 ・参考文献 ニトリ https://www.nitori-net.jp/ec/?srsltid=AfmBOorthTs7qHg18Jv7cL1L4hp46qkx5-txRTQ9CV2AsRD6uBdLOFUJ アイリスオーヤマ https://www.irisohyama.co.jp/ 【合格に関する根拠】 家電の消費電力を調べグラフを作成したこと、家電の消費電力と時間、電気料金との関係を考察したことから合格に値するものであると考えられる。
A.エネルギー化学 使用電力量.pdf
A.【課外報告書】電気分解による泳動と拡散を可視化しよう なぜなら電気泳動はタンパク質でも行うことができ、SDSと２－メルカプトエタノールで処理すれば、タンパク質はほぼ均一に―の電荷を帯びるため分子量の大きさごとに分離することが可能となり、この原理よりタンパク質の配列の解明、新たなたんぱく質の発見、副作用のない免疫系の薬の開発などにつながるのではないかと考えたからである。副作用のない薬を開発して、安全なことが確認できれば社会の役に立つと思いこの課外報告書を選んだ。 説明を以下に示す。 【書誌情報】 題目 電気分解による泳動と拡散を可視化しよう 著者 増子香奈 提出日 2025年7月29日 キーワード 電気泳動、SDS、塩基対 【要旨】 ・緒言 電気分解による泳動としてバイオ実験で行った「プラスミドの電気泳動結果」を写真に示す。 ・方法 スタート地点は－ゴール地点は＋の電荷を帯びている。SDS処理と制限酵素でプラスミドを切断することによりプラスミドはほぼ均一に－の電荷を帯びるようになる。その結果分子量の小さいものほど遠くに、大きいものほど近くにとどまるようになる。実際にバンドが大きさによって進む距離が違うのを観察した。 ・結果・考察 実験を行うことで実際にそのことが確認でき、その結果から塩基対数に推定を行うことができた。具体的には写真に示したように塩基対マーカーがある部分の長さ(mm）を測り、その間の傾きを求め、測定したマーカー位置の値（mｍ）を代入して求めた。 例えばスタート地点から28㎜の位置にあるマーカーは分子量マーカーより2.8kbpであることが分かる。 ・参考文献 SDS－ポリアクリルアミドゲル電気泳動法の原理 https://www.cytivalifesciences.co.jp/technologies/ecl/guide-3.html 【合格に関する根拠】 実際に電気泳動を行いその原理を自ら調べて理解することができた。塩基対マーカーを用いてプラスミドの分子量を求め、小さいほど遠くに移動することが確認できた。よって合格に値すると考えられる。
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A.【課外報告書】化学発光を体験しよう 【書誌情報】 題目 化学発光を体験しよう 著者 増子香奈 提出日 2025年7月29日 キーワード ルミノール、酸化、触媒 【要旨】 ・緒言 有機実験Ⅰで化学発光の一種であるルミノール発光を体験した。 ルミノール発光には鉄触媒などにより過酸化水素のラジカルが働くことが必要である。 ルミノール反応における鉄3イオンの役割とは過酸化水素の分解反応における触媒として働くことで、過酸化水素がルミノールの酸化剤として働くことができるようにすることである。 ・方法 ルミノールに過酸化水素、アルカリ、鉄Ⅲ触媒を入れて発光の様子を観察した。 ・結果・考察 ルミノールに過酸化水素、アルカリ、鉄Ⅲ触媒を入れると青白く発光した。およそ20秒間発光した。 発光が弱まった時鉄触媒とアルカリを入れると再度発光した。こらは鉄触媒が過酸化水素がラジカルとして働けるようにする働きがあるためであると考えた。 具体的な説明を以下に示す。 ルミノール反応は塩基性条件下（ルミノールは溶液が中性や酸性では水中に溶解することはできないが、塩基性では脱プロトン化してアニオンになる。）でルミノールが過酸化水素によって酸化されることで起こる。すなわち酸化還元反応における酸化剤が過酸化水素(H2O2)、還元剤がルミノール溶液といえる。しかしルミノールと過酸化水素だけではなかなか反応が進まない。しかし鉄3イオンの存在により過酸化水素の分解が促進され、ラジカルが生成し、ルミノールを効率的に酸化させることができる。鉄3イオンはラジカル発生の連鎖反応を開始させる触媒して働き、このサイクルで生成したHO2・や・OH、o2－は、ルミノールのアニオンを酸化し、化学発光を起こす。またアルカリはルミノールが脱プロトン化してラジカルと反応しやすい状態にしていると考えられる。 ・参考文献 ルミノール発光?発光の世界への挑戦‐日本分析化学専門学校 https://www.bunseki.ac.jp/naruhodo/experiment/expdetail.php?id=238 ルミノール発光 https://www.kobe-c.ed.jp/rki-hs/attach/get2/1098/0 【合格に関する根拠】 ルミノール発光を実際に観察したこと。発光が弱まったときにアルカリと鉄（Ⅲ）触媒を入れると再度発光した理由について考察することができた。よって合格に値するといえる。 感想 血液の検査に用いられるルミノール発光が酸化により起こる、しかもその発光には鉄イオンが必要でその鉄イオンが血液中にあるため検出可能という原理に驚いた。また励起状態から基底状態に戻るときの光の波長に該当する色が我々の目に見えるわけだが、自分の好きな青色だったためより感動した。
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A.【予習報告書】 説明を以下に示す。 【書誌情報】 題目 エネルギー化学 予習報告書 著者 増子香奈 提出日 2025年7月29日 キーワード エネルギー、バンド、アモルファス 【要旨】 テキストに説明のある工業製品のうち太陽光発電について述べる。太陽光発電にはn型とp型を張り合わせた素子（太陽光発電素子）が使われており、太陽光発電素子に太陽光が当たると電気が発生する。 太陽光発電には起電力が生じる。ではどのように起電力が発生しているのかを説明する。p型半導体とn型半導体の接合部にバンドキャップ以上のエネルギーを持った太陽光が当たると、そのエネルギーによって充満帯の電子は伝導体に励起され、その電子の抜けた充満帯に正孔が生じるため、電子はn側へ、正孔はp側へ移動する。すなわちp側は正に、n側は負に帯電することとなりここに起電力が生じる。 前述で述べた太陽光発電素子にはSi単結晶体、Si多結晶体、アモルファスSiの3種があるが、発電には波長1.13μｍが有効なためSi単結晶が使われる。このように光源の分光分布と素子材料の分光感度の合致するものが最良の組み合わせになるため、太陽光にはSi結晶体（単結晶体も多結晶体もほぼ同じ）が、電卓や時計などにはアモルファスSiが向いている。 【合格に関する根拠】 予習したこと、またこの内容は実際に後期中で学んだものであり、予習をすることで講義時間にに理解することができたこと、以上より合格に値すると考えられる。
A.エネルギー化学 予習報告書.pdf
A.はい 【新しく踏みだしたこと】、【将来の抱負】 本講義を通して身近にあるもの、例えば電池や携帯のディスプレイの仕組みについて少しででも興味を持てた。特に電子が消費が早いということは反応速度が速いことを意味するという説明が面白かった。また電解質を溶かさなければならないので溶媒の選択も大切ということを学んだ。 液晶には半導体が使われていて金属が電気を流すのは金属結合により電子が自由に動くことができるためと学んだ。イオン化しやすい（酸化しやすい）金属に酸化膜を作るとき、その膜の多くはAgClなどのイオン結合性化合物であるため電気が流れないはずだが、アノード分極中はやはりAg＋となり、電解質の溶液中のCl－と反応してどんどんAgClを析出させることができる。 さらにコロイドの例は雲で、それよりも小さい粒子で起こる散乱はレイリー散乱であることや色について蛍光という短波長を吸収して長波長を出すという現象が面白いと感じた。化学エネルギーが電気エネルギーに変換されるときすべてのエネルギーが1つに変換されるのではない。そのため熱効率を考える必要がある。また情報量[bit]が多くてもエントロピーが大きくなるため熱が生じる。このことを普段のちょっとしたときに思い出してみようと思った。
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A. ダイエットの目標として体脂肪2kgの減少を設定すると、必要なエネルギー消費量は約64,433,600ジュール（約17.9kWh）となる。これを運動強度であるメッツ（METs）に換算すると約15,400メッツに相当し、バスケットボールの運動強度6.0メッツを基準にすると、約2,567時間の運動が必要となる。 1日3時間のバスケットボールを行うと仮定すると、目標達成には約856日かかる。週に4回のペースで運動する場合、約214週、つまり約4年間継続する必要がある計算となる。これは、継続的な運動習慣がダイエットにおいていかに重要かを示している。 また、エネルギー消費の視点から見ると、1メッツは約0.001162kWhに相当し、運動による排熱量とエクササイズ量の関係が明確になる。さらに、同様のエネルギーで製造できる工業製品として、アルミニウムの電解製錬では1kWhで約0.29kgのアルミが製造可能であり、これは約20個のアルミ缶に相当する。エネルギーの使い方を比較することで、運動と工業の関係性も理解できる。
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A. アルミニウムの製錬には、ボーキサイトの採掘からアルミナの精製、電解製錬（ホール・エルー法）までの工程があり、1トンの製造に約15,000kWh（約54GJ）の電力が必要とされる。持続可能な製造には、エネルギー効率の向上、リサイクルの推進、再生可能エネルギーの活用が重要であり、リサイクルでは新規製造の約3%のエネルギーで済むため、環境負荷の低減に大きく貢献する。 鉛蓄電池は化学反応を利用して電気エネルギーを蓄える装置であり、放電時には鉛と二酸化鉛が硫酸鉛に変化し、充電時には逆反応が起こる。電極材料や電解液の選定が性能に影響し、リサイクルも容易で新規製造に比べてエネルギー消費が少ない。鉛は有害物質であるため、適切な処理が必要であり、環境保護と持続可能なエネルギー利用に寄与している。 ろうそくの燃焼では、パラフィンワックスの反応により約-252kJのエンタルピー変化が生じ、2時間で燃焼しきると約35Wの熱出力となる。また、トヨタ・ヤリスの燃費とガソリンのエネルギー効率をもとにすると、1kWhあたりの走行距離は約4.7kmとなる。これらの計算は、エネルギーの使い方を理解し、効率的な利用を考える上で有用である。
A.4月23日-23512020-山根寿々-化学バイオ-第2回授業.jpg
A. 固体の化学結合には、共有結合・イオン結合・金属結合の3種類がある。共有結合は非金属同士が電子を共有して形成され、ダイヤモンドやシリコンが代表例である。非常に強固だが自由電子が存在しないため、電気をほとんど通さない。イオン結合は金属と非金属の間で静電気的な引力によって形成され、塩化ナトリウムなどが該当する。固体状態では電気を通さないが、水に溶けるとイオンが動き電気を通す。 金属結合は金属原子同士が自由電子を共有することで形成され、銅やアルミニウムなどが代表的である。自由電子が金属内を移動できるため、金属は高い電気伝導性を持つ。これらの結合の違いは、物質の性質や用途に大きく影響する。 送電に伴う電力ロスの計算では、市街地の電圧6600V、銅の抵抗率、配線長さなどの条件から、配線の抵抗は約0.32Ω、自宅までの総抵抗は約0.92Ωと求められる。電流0.106Aに対する電圧降下は約0.10V、電力損失は約0.01Wと非常に小さい。1メートルあたりの発熱量も微小であり、送電効率と安全性は高いと評価できる。
A.4月30日-23512020-山根寿々-化学バイオ-第3回授業.jpg
A. 実測データの精度を高めるための基本的な技術について話し合われました。特に、測定端子を対象物にしっかりと当てることが重要であると確認されました。これは、接触不良による数値の不安定化を防ぎ、安定した測定結果を得るための基本的な手法です。 抵抗計などの測定器を使用する際には、プローブの正確な接触が求められます。この技術を習得することで、測定結果の信頼性が向上し、実験や作業における判断材料として有効なデータを得ることができます。また、測定値が定まらない場合でも、0.5～0.7Vの範囲であると示すことで、一定の信頼性を保つことが可能です。 ワークショップでは、これらの測定技術の重要性を共有し、実践的な知識の習得を目指しました。正確な測定は、技術者としての基本であり、日常の作業や実験において欠かせないスキルです。今後も継続的な練習と確認を通じて、測定技術の向上を図ることが求められます。
A.５月7日-23512020-山根寿々-化学バイオ-第4回授業.jpg
A. ダニエル電池は、1836年にジョン・フレデリック・ダニエルによって発明された一次電池で、亜鉛をアノード（負極）、銅をカソード（正極）として使用する。放電時には、亜鉛が酸化されて電子を放出し、銅イオンが還元されて金属銅となる。電解質には硫酸亜鉛と硫酸銅の水溶液が用いられ、塩橋によってイオンの移動が可能となり、安定した電圧を維持できる。 電池内の電気の流れを理解するには、等電位線と電気力線の概念が重要である。等電位線は電位が等しい点を結んだ線で、アノードからカソードに向かって電位が低下する。電気力線は電場の方向を示し、電場は電位の高い方から低い方へ向かって形成される。この電場に沿って電子が移動し、電流密度は電場の強さに比例して高くなる。 銀塩化銀電極（Ag/AgCl電極）は、安定した電位を提供する参照電極として広く使われる。亜鉛電極と組み合わせた半電池では、亜鉛が酸化され、電子が銀塩化銀電極に移動して銀イオンが還元される。実態配線図では、両電極はそれぞれ対応する電解質に浸され、塩橋で接続されることで、安定した電位測定と電池反応が可能となる。
A.5月14日-23512020-山根寿々-化学バイオ-第5回授業.jpg
A. 銅の析出実験では、ファラデーの法則を用いて電流や電解時間を求めることができる。例えば、10分間で5mgの銅が析出した場合、必要な電気量は約15.18Cであり、平均電流は25.3mAとなる。また、3mgの銅を析出させるには約9.11Cの電気量が必要で、電流密度20mA/cm?・表面積0.05cm?の条件では、約9110秒（約2.5時間）の通電が必要となる。 サックスなどの金属製品には、耐食性や美観を高めるためにニッケルめっきが施される。電解めっきでは、電流量と通電時間に応じてめっきの厚みが決まり、電流密度の均一な制御が品質向上に重要である。ピンホールなどの欠陥を防ぐには、表面処理や前処理の適切な実施が求められる。 めっき液の状態を評価するためには、ハルセル試験が用いられる。この試験では、アノードからカソードにかけての電流密度分布を観察し、めっきの厚みや外観のばらつきを確認する。電流密度が高い部分ではめっきが厚くなり、低い部分では薄くなるため、試験結果からめっき条件の最適化が可能となる。
A.5月21日-23512020-山根寿々-化学バイオ-第6回授業.jpg
A. ダニエル電池は、亜鉛を負極、銅を正極とする一次電池で、亜鉛が酸化されて電子を放出し、銅イオンが還元されて金属銅となる。電解質には硫酸亜鉛と硫酸銅の水溶液が用いられ、塩橋によってイオンの移動が可能となる。電極電位はネルンスト式によりイオン濃度の対数に依存して計算され、Fe??/Fe??系ではモル比の変化に応じて電位が直線的に変化する。 銀塩化銀電極（Ag/AgCl電極）は、銀線の表面に塩化銀を形成して作られる参照電極であり、塩化物イオンを含む溶液に浸して使用する。電位は塩化物イオン濃度に依存し、飽和KCl溶液中では標準水素電極に対して約0.197Vを示す。再現性が高く、電気化学測定において安定した参照電位を提供するため、広く利用されている。 電位差計は、既知の標準電圧と未知の電圧を平衡させて測定する装置であり、測定対象に電流を流さずに電圧を測定できるのが特徴である。これにより、電池の起電力や金属の熱起電力を正確に測定できる。高い精度と信頼性を持ち、電池性能評価や研究において重要な役割を果たしている。
A.5月28日-23512020-山根寿々-化学バイオ-第7回授業.jpg
A. 水の電気分解では、分解電圧は電解質が分解を開始するために必要な最小電圧であり、理論分解電圧はギブス自由エネルギーから計算される理論値である。実際の分解には過電圧が加わり、例えば白金電極を用いた希硫酸の分解では、理論値1.23Vに対して実測値は約1.7Vとなり、過電圧は約0.47Vである。過電圧は電極材料や反応速度に依存し、電解効率に大きく影響する。 電極材料の選定は過電圧の低減に直結し、白金は低過電圧で高効率、ニッケルや鉄は高過電圧で効率が低下する。電解槽の設計では、過電圧の低い材料を選ぶことで必要電力を削減でき、コストやエネルギー消費の面で有利となる。さらに、電極の耐久性や腐食耐性も考慮することで、長期的な運用が可能になる。 水電解のエネルギー変換効率は、電解槽の設計と運転条件に依存する。例えばElectrolyzer Corp.の電解槽では、槽電圧1.90Vに対して理論分解電圧は1.18V、電圧効率は約62%、エネルギー変換効率は約72%である。残りの28%は廃熱として失われるため、効率向上には過電圧の低減が重要であり、再生可能エネルギーの有効利用に貢献する。
A.6月4日-23512020-山根寿々-化学バイオ-第8回授業.jpg
A. pn結合は、p型半導体とn型半導体を接合することで形成される基本構造である。n型にはリンが添加され自由電子が供給され、p型にはホウ素が添加されホールが生成される。接合部では電子とホールが拡散し、空乏層と内部電場が形成されることで整流作用が生じる。この構造はダイオードやトランジスタなどの半導体デバイスの動作原理に直結している。 サイクリックボルタンメトリー（CV）は、電極表面での酸化還元反応を観測する電気化学的手法であり、ポテンショスタットや参照電極などの機材を用いて実施される。CVは電池材料の評価、触媒性能の確認、腐食研究、バイオセンサー開発など幅広い分野で応用されており、正確なデータ取得によって研究や技術開発に貢献している。 交流インピーダンス法は、電気化学測定において電池やセンサーの性能評価に用いられる技術である。ポテンショスタットやFRAを用いて交流信号を解析し、インピーダンスを測定する。塩分計や体脂肪計などの日常機器にも応用されており、イオン濃度や生体組織の電気抵抗を測定することで、健康管理や環境モニタリングに役立っている。
A.6月11日-23512020-山根寿々-化学バイオ-第9回授業.jpg
A. pH電極は、水素イオン濃度を測定する装置で、ガラス電極と参照電極から構成される。ガラス膜を介して電位差が生じ、その差をネルンスト式に基づいてpH値として表示する。水質管理や農業、食品製造など多くの分野で活用されており、環境や製品の品質を保つために重要な役割を果たしている。 酸素センサーはガルバニ電池の原理を利用し、酸素の還元反応によって発生する電流から濃度を測定する。ガス漏れセンサーは電気化学式や半導体式の原理を用い、電気反応や抵抗変化によってガスの存在を検知する。湿度センサーは静電容量式や電気抵抗式を用いて湿度の変化を測定し、家庭用機器から産業用途まで幅広く利用されている。 グルコースセンサーは、酵素反応によって生成された電子を電極で検出し、電流値を電圧に変換して血糖値として表示する。糖尿病患者の血糖管理に広く使われており、最近では汗や涙などから非侵襲的に測定する技術も研究されている。これにより、より快適で継続的な健康管理が可能になると期待されている。
A.6月18日-23512020-山根寿々-化学バイオ-第10回授業.jpg
A. アルミニウムの酸化皮膜は、自然に形成される耐食性の高い層であり、建築材料として広く利用されている。特にアルミサッシやガルバニウム鋼板は、軽量で高強度、耐久性に優れ、断熱性能も高いため、省エネ効果が期待できる。さらに、これらの材料はリサイクル性にも優れ、環境負荷の低減にも貢献している。 パワーエレクトロニクス分野では、アルミニウム酸化皮膜を利用した電解コンデンサが重要な役割を果たす。電解コンデンサは、アルミ箔の酸化皮膜を誘電体とし、インバータやコンバータの平滑回路に使用される。これにより、電圧の安定化やノイズ低減が可能となり、ソーラーパネルや新幹線などの高効率な電力制御に貢献している。 鉄の不働態化は、硝酸中で酸化被膜が形成されることで腐食を防ぐ現象であり、ボルタモグラムによってその挙動を観察できる。初期には電流が増加するが、酸化被膜が形成されると電流が急減し、安定する。この酸化被膜は鉄の溶解を防ぎ、耐食性を高めるための防食技術の基礎として重要である。
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A. 電位pH図（プールべダイアグラム）は、金属の腐食や防食を理解するための重要なツールである。亜鉛は鉄よりも電位が低いため、陰極防食法により鉄を保護する役割を果たす。亜鉛の電位pH図では、Zn、Zn??、ZnOなどの化学種の平衡電位が示され、水の安定領域も酸素・水素発生反応の電位から計算される。これにより、腐食環境下での金属の安定性を視覚的に把握できる。 グラビア印刷の製版には、レーザー製版とヘリオ製版がある。レーザー製版は高精度で複雑なパターンに適しており、デジタルデータから迅速に製版できる。一方、ヘリオ製版は機械彫刻による物理的なセル形成で、耐久性が高く大規模印刷に向いている。用途やコスト、精度に応じて適切な製版方法を選ぶことが重要である。 リードフレームやプリント基板の製造では、エッチングとスタンピングが使い分けられる。エッチングは化学薬品で金属を溶解し、高精度な微細加工に適している。スタンピングは金型による打ち抜きで、大量生産に向いている。ウエットエッチングは等方性で低コスト、ドライエッチングは異方性で高精度だが設備コストが高い。製品の仕様や生産量に応じて最適な方法を選択することが求められる。
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A. 光合成は、チラコイド膜内で光エネルギーを化学エネルギーに変換する過程である。光化学系Ⅱでは水が分解されて電子と酸素が生成され、電子は光化学系Ⅰを経てNADP?を還元しNADPHを生成する。同時にプロトン勾配が形成され、ATP合成酵素によってATPが合成される。これらのエネルギー分子はカルビン回路で糖合成に利用される。 二酸化チタン（TiO?）は、紫外線照射により電子と正孔を生成し、水を酸化還元して酸素と水素を発生させる光触媒である。効率的な反応には、TiO?と金属電極（例：白金）とのオーミック接触が重要であり、電子の移動がスムーズに行われることで水素生成が促進される。ショットキー接触では反応効率が低下するため、界面設計が鍵となる。 電解質中のイオンは電場によって移動し、その速度は移動度と電場強度に比例する。導電率はイオンの移動度と濃度に依存し、プロトンやOH?は特に高い移動度を示す。太陽電池では、pn接合に光が当たることで電子と正孔が生成され、空乏層を通じて電流が発生する。これは光起電力効果に基づき、再生可能エネルギーの中核技術として広く利用されている。
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A. スマートフォンは情報社会を象徴する工業製品であり、情報の取得・処理・伝達には多くの電力が必要とされる。液晶や有機ELなどのディスプレイ技術は進化を続け、省エネ性能を高めているが、情報量の爆発的増加により、データセンターや通信ネットワークの電力消費も急増している。情報の利便性と環境負荷の間には深刻な矛盾が生じており、省エネルギー技術と効率的な情報利用が求められている。 その中で注目されるのがエレクトロクロミズム技術であり、スマートウィンドウや防眩ミラーなどに応用され、省電力かつ高い視認性を実現している。広島大学の研究では、π共役系高分子を用いた分子設計により、RGB色調の制御や長寿命化が可能となり、次世代の表示デバイスとして期待されている。これらの技術は、持続可能な社会に向けたスマートマテリアルとしての可能性を広げている。 一方、情報化社会の電力需要に対応するため、原子力発電の再評価も進んでいる。持続可能性には課題があるものの、当面の電力供給には不可欠であり、技術者の育成が急務となっている。文部科学省などは「先進的原子力教育コンソーシアム」を設立し、教育体制の強化を図っている。倫理や社会的責任を含む教育の充実と国際連携により、持続可能なエネルギー政策を支える人材の育成が期待されている。
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A.課外：電量計と電位差計について調べてみよう 米沢工業高等学校（現・山形大学工学部）の重要文化財建物内には、100年以上前の学生が使用した電気測定器が展示されています。特に注目すべきは、ファラデーの電気分解の法則を応用した電量計（クーロメータ）です。銀クーロメータでは、硝酸銀溶液中で電流を流すことで銀が析出し、その質量から電気量を測定します。1クーロンで約1.179mgの銀が析出するため、非常に高精度な測定が可能です。同様に、銅クーロメータや爆鳴気クーロメータでは、それぞれ銅の質量や酸水素混合ガスの体積を測定することで電気量を求めます。 一方、電位差計（ポテンショメーター）は、キルヒホッフの第二法則とホイートストンブリッジの原理を応用した装置で、電池の起電力を精密に測定するために使用されました。米沢工業高等学校の電気通信科展示室には、抵抗線の長さを基準に電圧を測定するポッゲンドルフの補償法を用いた電位差計が展示されています。標準電池の電圧と比較することで、被検電池の起電力を正確に求めることができます。 これらの装置を用いて、電気量と電圧を測定することで、電池の持つ電気エネルギー（電気量×電圧）を求めることが可能になります。100年前の学生たちは、こうした原理と装置を用いて電気エネルギーの理解を深めてきました。米沢工業高等学校の展示は、当時の教育水準の高さと、科学技術の発展に貢献した歴史を物語っています。
A.標準電池.pdf
A.課外：化学発光を体験しよう 化学発光とは、化学反応によって直接光が放たれる現象であり、蛍光や黒体放射とは異なります。生物発光はその一例で、ホタルやホタルイカ、ツキヨタケなどが代表的です。これらの生物は、ルシフェリンという物質が酵素ルシフェラーゼの働きで酸化され、励起状態のオキシルシフェリンが基底状態に戻る際に光を放ちます。この反応は熱を伴わないため「冷光」とも呼ばれ、量子収率が高く、効率的な発光が可能です。 ルミノール溶液に過酸化水素と鉄イオンを加えることで、瞬時に青白い光が発生する様子を観察しました。暗室での実験では、発光が数秒間持続し、動画撮影によってその様子を記録しました。この反応は、血液中のヘム鉄が触媒となるため、犯罪捜査における血痕検出にも応用されています。 このような化学発光の実体験は、教科書で得た知識を現実の現象と結びつけ、深い理解へと導いてくれます。人工的な化学発光の応用例として、ペンライトや検査薬などがあり、宇宙船照明の研究にもつながっています。ルミノール反応の観察は、化学の美しさと応用力を実感する貴重な機会となりました。
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A.課外：準備した教材について報告してください 鉛蓄電池は、エネルギー貯蔵の代表的な方法の一つであり、化学エネルギーを電気エネルギーに変換してエネルギーを貯蔵します。このプロセスは、電極間での化学反応を利用して行われます。具体的には、放電時に正極の二酸化鉛（PbO2）と負極の鉛（Pb）が硫酸鉛（PbSO4）に変化し、電流が生成されます。充電時にはこの反応が逆転し、元の物質に戻ります。このように、化学反応の効率が電池の性能や寿命に大きく影響します。 鉛蓄電池の性能を最大限に引き出すためには、電極材料や電解液の選択が重要です。例えば、電極の純度や電解液の濃度が適切でないと、電池の効率が低下し、寿命が短くなります。また、鉛蓄電池はリサイクルが容易であり、リサイクルによるエネルギー消費は新規製造のわずか数パーセントに過ぎません。これにより、資源の有効利用と環境負荷の低減が可能です。 さらに、鉛蓄電池の廃棄には化学の知識が不可欠です。鉛は有害物質であるため、適切なリサイクルプロセスを経ることで環境への影響を最小限に抑えることが求められます。これにより、持続可能なエネルギーシステムの構築に貢献しています。鉛蓄電池は、エネルギー貯蔵技術の中でも信頼性が高く、広く利用されている技術です。
A.教科書.pdf
A.はい
A.エネルギー化学 ポスター 23512021 須藤春翔.pdf
A.①私たちの身の回りには様々なエネルギーの種類が存在し、主に熱、運動、位置、電気、光、化学エネルギーが挙げられる。熱について、理想気体の状態方程式 PV = nRT では、両辺の単位はジュール [J] であり、エネルギーを表す。そして、流体の状態変化は、P-V線図やT-s線図により可視化される。ここで大事なのは、温度や圧力などの示強因子は量に依存せず、質量や体積などの示量因子は量に依存するということである。 他にも例えば電気では、電圧や電流の測定から、エネルギーの定量的理解を可能にすることができる。エネルギーの本質を理解することは、持続可能な社会の基盤を支える鍵になると考えられる。 今回のグループワークでは、1キロワットアワーで作れるモノについて調べた。 ②演題は1キロワットアワーで作れるモノついて調べることあり、グループ名はグループG、属した人は、菅井咲椰、秋山泰架、後藤陽、前川嶺緯、須藤春翔、鈴木晴琉 であり、役割はリーダー。 鉄鉱石から銑鉄にするために必要な1時間あたりの消費電力を調べ、1kWhだと銑鉄約20kgが精製されることが分かった。 ③私は、 エントロピーとは何かについて調べた。 調べると、エントロピーは熱現象の不可逆性を数量で表すために与えられているものであるとわかった。例としては、熱いコーヒーと冷たいミルクを混ぜると、やがて均一な温度になるが、逆には自然には戻らないということが挙げられるのではないかと考えた。これは、熱は自発的に温度の低いほうから高いほうに移動しないことを表しており、エントロピー増大の法則とも呼ばれるという事が分かった。
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A.①エネルギー密度とは、単位質量または体積あたりに蓄えられるエネルギー量であり、燃料の性能を左右する重要な指標である。化石燃料、特にガソリンやディーゼルは、高いエネルギー密度を持ち、リチウムイオン電池等と比べると、その差は歴然である。この差により、同じ質量で得られる走行距離や作業量は、化石燃料が依然として有利であることが分かる。電気エネルギーは環境負荷が低く再生可能エネルギーと組み合わせやすい利点があるが、エネルギー密度の面では化石燃料に劣るため、用途に応じた使い分けが求められる。 今回のグループワークでは、1キロワットアワーで走れる距離について調べた。 ②演題は1キロワットアワーで走れる距離ついて調べることあり、グループ名はチームプリウス、属した人は、長尾瞬、那須桂馬、平方誠二郎、菅野隼太郎、須藤春翔、鈴木奏逞であり、役割は調査係。 トヨタのプリウスでは、燃費が約29.0km/Lであるとし、1kWhで走れる距離を計算すると約10kmであることが分かった。 ③私は、車を例にあげて、燃費を良くするために必要なことは何かについて調べた。 調べると必要なことはたくさんあり、主には、急発進や急加速を避け、一定速度で走行することや、不要な荷物を下ろし、タイヤの空気圧を適正に保つことなどが挙げられていた。 私は、燃費を改善することで、年間のガソリン代を節約できるとともに、 二酸化炭素の排出量の削減にもなり、環境への負担軽減にも貢献するのではないかと考えた。
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A.①電力は瞬間的な強さである示強因子として、電気量は蓄積された量であり、示量因子として表される。電力量は電力が時間とともに積算されたもので、エネルギーの使用量の指標になっている。電気の機能は材料とエネルギーに支えられ、特に材料の物性値が重要である。物性値は、抵抗率など物質固有の数値で、合金は一般に抵抗率が高くなる。例えば銅は電気抵抗が低いが重いため使いにくく、アルミは軽いが潮風による腐食が問題になる。海辺ではその腐食耐性のため、あえて銅が選ばれる場面もある。このように、使用環境に応じて物性値、とくに抵抗率に着目した材料選択が求められる。 今回のグループワークでは送電に伴う電力ロス について調べた。 ②演題は送電に伴う電力ロスでグループ名は名無し、属した人は、長尾瞬、那須桂馬、浄閑祐輝、菅野隼太郎、須藤春翔、鈴木奏逞であり、役割は調査係。 ノルウェー、イギリス間のノースシーリンクでは720km間を515kVに変圧した電圧を送ること、米沢変電所から山大キャンパスまで5km間を6.6kVに変圧した電圧を送ることの2つを比べ、何倍になるか求めようとする所まで話し合った。 ③私は、抵抗値の高い導電線がなぜ使われないのか、また、電気抵抗率を下げるにはどうすればいいのかについて調べた。 初めに、抵抗値の高い導電線が使われない理由には、電力損失や発熱が増加するため、エネルギーの浪費や火災などの危険性が高まること。 また、信号の伝送にも影響を与え、通信障害などの問題が生じる可能性があることが挙げられた。そして、その電気抵抗率をさげるには、導体の太さを太くすること、導体の長さを短くすればいいと分かった。
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A.①光エネルギーhνはミクロの世界で振る舞い、hはプランク定数、νは振動数を示す。赤外線や紫外線は周波数の違いで性質が変化し、特に紫外線は日焼けを引き起こす。力学的エネルギーと熱エネルギーは平衡状態にあり、電気化学反応はネルンストの式でまとめられる。電気は目に見えないため計測器が必須で、電子は原子核間に分布して共有結合や金属結合を形成する。特に金属結合では電子の非局在化が起こり、炭素皮膜では導電異方性が観察される。電気計測には零位法が利用される。実測値については注意深く取り扱う必要がある。 今回のグループワークでは、抵抗器の電気抵抗を実測しようである。 ②演題は抵抗器の電気抵抗を実測しようでグループ名は名無し、属した人は、小笠原大地、山根寿々、佐藤光介、山川騎生、須藤春翔であり、役割は調査係。 グループワークでは、電気測定では実測値が最優先されること。測る時は、端子を対象にしっかり当てて数値を安定させるのがポイントであること。カラーコードなどの理論値とズレがあっても、実際に測った値が正しいと判断されるべきであることが挙げられた。 ③私はネルンストの式について詳しく調べた。 まず、ネルンストの式は、化学反応が起こるときの電極の電位が、イオンの濃度や温度によって変わることを示す式である。標準状態では決まった電位があるが、実際の環境ではイオンの濃度が変わるため、電位も変化する。ネルンストの式を使うことで、現在の条件での電極電位を計算できる。例としては、濃度が高いと電位が大きくなったり、逆に低いと小さくなったりすること等が挙げられた。これらの事を踏まえると、電池の電圧や反応の進みやすさを知るうえでとても重要な式であると分かった。
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A.①電気エネルギーは、他のエネルギーと比べてコントロールしやすいという大きな利点があるが唯一の弱点は貯めておけないことである。そこで重要になるのが、酸化、還元、電解質という3つの要素からなるセルという構造である。このセルを構成する方法として、モノポーラとバイポーラがあるが、バイポーラには液絡という問題があり、密閉しないと内部で液が混ざってしまうという弱点がある。 また、電位は場所ごとに定まる値で、電位差があれば電流は高い電位から低い電位へと流れる。この流れの道筋を電気力線と呼び、等電位線と直交する。さらに、その密度は電流密度として表され、電流にも向きがあるため、ベクトル量として扱うことが特に重要である。 今回のグループワークは、等電位線と電気力線を描いてみようである。 ②演題は抵抗器の等電位線と電気力線を描いてみようで、グループ名はバイポーラ、属した人は、久保明裕、山根寿々、坂本彩夏、久田光稀、鈴木奏逞、須藤春翔であり、役割は調査係。 実際に電気力線を図解した。これによって、電気の流れる向きが視覚的に理解しやすくなった。 ③私は、電気エネルギーのコントロールしやすい事以外の利点について調べた。 電気エネルギーの利点は、運動、熱、光、音などさまざまなエネルギーに変換できる汎用性の高さにあることが挙げられる。例えば、モーターで運動エネルギーに、電熱線で熱に、ディスプレイで光に、スピーカーで音に変わる。私たちの生活はパソコンやスマホなど、電気に大きく依存していて、電気のない暮らしは想像しにくいといえる。このように電気エネルギーは、最も扱いやすく便利なエネルギー源といえるのではないかと調べてみて感じた。
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A.①電流は、流れる場所によって分布が異なる。電気力線の混み具合が電流密度を表し、たとえばカソードが傾いていると、その傾いた側に電流が集中し、電流密度が大きくなる。電流の単位はアンペアで、1秒あたりに流れる電気量を表す。さらに、物質量と電気量の比例定数はファラデー定数と呼ばれ、電流は反応速度に比例する。つまり、流れる電流が大きければ、それに伴い反応も早く進むということを表している。ただし、実際の工業操作では狙った反応だけが進むわけではなく、電流効率は理論通りにはいかない。そのため、電流を正しく測定・校正する方法としてクーロメータがあり、析出した物質から流れた電気量を逆算できる。 また、電解液の設計は建浴といい、反応の精度に関わる重要な工程である。さらに、尖った部分には電気力線が集中しやすいため、装置の表面を磨いて滑らかにし、電流の偏りを防ぐ工夫もされている。 今回のグループワークは、めっきについて調べようである。 ②演題はメッキについて調べようで、グループ名はメッキ、属した人は、藤森隼也、山川騎生、久田光稀、鈴木奏逞、須藤春翔であり、役割は調査係。 メッキとしてはナイフやフォークなどの食器を選んだ。そしてメッキする目的は見た目を良くして、製品の価値を高めること。さびや腐食を防ぐこと。ニッケルやクロムなどの金属を用いているためであることが挙げられた。 ③私は、クーロメータにはどんな種類があるのか調べた。 クーロメータには主に化学的クーロメータと電子的クーロメータの2種類あった。化学的クーロメータは、電気分解によって析出または溶解する物質の量を測定し、流れた電気量を間接的に求める方法である。一方、電子的クーロメータは電流と時間を高精度で測定し、その積から電気量を直接算出する方法である。化学的な検出精度が高いのが化学的クーロメータ、リアルタイムで計測できるのが電子的クーロメータの特長であった。 調べるとクーロメータは用途や目的に応じて使い分けられていることが分かった。
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A.①ギブスの自由エネルギーは、化学反応が自発的に進むかどうかを判断する指標であり、電気エネルギーは電気量と電圧の積で表される。反応には途中で活性化エネルギーが必要なことがあり、これは反応を始めるために越えるべきエネルギーの壁ある。また、反応が進んでいないように見えるときは、正反応と逆反応がつり合っている平衡状態にあるだけであり、反応が進んでいない訳ではない。 さらに、電極電位を正確に測定するには、電流を流さずに行う必要がある。ただし、半電池単独の電位は絶対的には測定できないため、基準として標準水素電極が使われる。これは特定条件下の水素電極の電位を0と定めたものある。 今回のグループワークでは、ダニエル電池の電位プロファイルを書いた。 ②演題はダニエル電池の電位プロファイルを書くことで、グループ名は名無し、属した人は、小笠原大地、佐藤光介、坂本彩夏、須藤春翔であり、役割は調査係。 電位プロファイルを書くことで、電子の流れ、酸化還元反応の位置と方向、そして電位差の大きさから、電池として取り出せる電圧である起電圧を一目で理解することができた。 ③私は、ギブスの自由エネルギーについて詳しく調べた。 ギブスの自由エネルギーは、エンタルピー H、エントロピー S、温度 T を用いた式 G = H - TS により定義されるものである。これは温度と圧力を自然な変数とする特性関数であり、他のすべての熱力学的状態量を導く基礎となっている。与えられた温度と圧力において、物質の系が熱平衡にあるとき、ギブスの自由エネルギーは最小の値をとる。この性質により、ギブスエネルギーは系の安定性や反応の自発性の判断に用いられる。また、ある平衡状態から別の平衡状態に移るとき、周囲に対して系がなしうる最大の仕事の量は、ギブスの自由エネルギーの減少量に等しくなる。これは最大仕事と呼ばれ、ギブスエネルギーの物理的意味を示している。これらの事が調べて分かった。
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A.①水は一見すると電気を通さないように思われがちだが、実際にはわずかに電気を流す性質がある。これは水分子の一部が自己解離し、水素イオンと水酸化物イオンに分かれるオートプロトリシスと呼ばれる現象によるものである。この結果、純水中にも微量のイオンが存在し、電気が通る経路ができる。また、pHはこの水素イオンの濃度を示す指標であり、言い換えれば水がどの程度電気を通しやすいかを示す目安ともいえる。すなわち、pHは単に酸性・アルカリ性の尺度であるだけでなく、水溶液の導電性に関係する重要な指標でもあるといえる。 今回のグループワークは、水電解のエネルギー変換効率を求めてみましょうである。 ②演題は水電解のエネルギー変換効率を求めてみましょうで、グループ名はpH、属した人は、山口竜輝、佐藤光介、山根寿々、向田有稀、須藤春翔であり、役割は調査係。 条件は70°Cで、標準状態（25°C、1 atm）からの変換効率を求めるために計算準備をした所まで話し合った。 ③私は、pH測定と電極の原理について深めて調べた。 まず、pHを測定する際に使われる例として、ガラス電極が挙げられ、水素イオンの活量によって生じる電位差を利用してpHを測定する仕組みになっている。この電位差はネルンストの式に基づいていて、溶液中の水素イオンの濃度変化に応じて電位が変化する。具体的には、ガラス膜の内側と外側で水素イオン濃度に差があると、膜を挟んで電位差が生じ、それを電圧として読み取ることでpHを数値化する。この方法は高い精度でpHを測れるため、化学実験や医療、環境分析など幅広い分野で用いられている。ガラス電極は非常に感度が高く、微小な水素イオン濃度の違いも捉えることができるため、pHの正確な測定に不可欠な装置となっていることが分かった。
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A.①エネルギーダイアグラムは、電子のエネルギー状態を視覚的に示す図であり、特に固体中ではエネルギーバンドという概念で扱われる。個々の原子の電子準位が多数集まることで、連続的なエネルギーバンドが形成され、主に価電子帯と伝導帯に分けられる。物質の電気的性質は、このバンド構造によって決まる。導体では、価電子帯と伝導帯が重なっており、電子が自由に移動できるため電気をよく通す。一方、絶縁体では両者の間に大きなバンドギャップがあり、電子が伝導帯へ移動できない。半導体はその中間で、温度や光などの外部エネルギーにより電子が伝導帯へ移動し、電流が流れるようになる。 今回のグループワークは、エネルギーバンドについてである。 ②演題は エネルギーバンドについてで、グループ名は名無し、属した人は、山口竜輝、佐藤光介、平方誠二郎、藤森隼也、須藤春翔であり、役割は調査係。 エネルギーバンドの例として、p-n接合を挙げた。接合前と接合後の熱平衡状態のp-n接合エネルギー準位図を書くことで理解を深めることができた。 ③私は、集積回路について詳しく調べた。 集積回路は半導体素子を組み合わせて回路を形成する中で、小型化や信頼性向上、低消費電力が求められ登場した。集積回路は1958年に発明され、複数の回路素子を同一基板上に集積したもので、LSIやVLSIといった高集積化が進んでいる。集積回路にはバイポーラICとMOS-ICがあり、特にMOS-ICはメモリに多用される。RAMは情報を自由に読み書きでき、DRAMとSRAMに分かれる。さらに、ハイブリッドICは膜技術と半導体を組み合わせ、高精度なアナログ処理や高電力分野に活用されている。これらの事が調べて分かった。
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A.家庭用ガス警報器に使われるSnO?はn型半導体であり、気体分子の吸着により導電率が変化する。二酸化炭素や水素、メタン、プロパンなどは半導体に電子を与え、導電率を上昇させる。一方、酸素などは電子を奪い導電率を低下させる。だが、吸着ガスの識別は困難で、選択性は低い。実用上は白金やパラジウムなどを添加し、特定ガスへの感度と選択性を高めている。誤動作の例としては、料理酒の蒸気に反応するケースがある。 今回のグループワークは、電気化学センサーを説明してみましょうである。 演題は 電気化学センサーを説明してみましょうで、グループ名はセンサ、属した人は、山口竜輝、佐藤光介、鈴木奏逞、須藤春翔であり、役割は調査係。 人間には感知できない磁力や磁束の変化を検出する装置である磁気センサについて図を示した。さらに使用例としては、磁気の性質を利用して、防犯装置やドア・窓の開閉検知など、日常生活での安全対策に広く応用されていることが分かった。 私は、磁気センサについてさらに詳しく調べた。 磁気センサは、磁場を感じ取って、それを電気の信号に変える装置であり、身近なところでは、自動車のドアの開閉検知、スマートフォンの方位センサ、エレベーターの位置確認などに使われている。たとえばホール素子と呼ばれるタイプは、電流が流れているところに磁石を近づけると電気の変化が起こり、それを使って動きを検知する。ほかにも、非常に小さな部品を使い、より細かい変化を読み取れる高感度な磁気センサもあり、ハードディスクや車のエンジンの制御などにも使われている。磁気センサは物に触れずに動きや位置を測れるため、今後は自動運転やロボット、医療の分野などでもますます使われると感じた。
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A.①銀塩化銀電極は、銀を塩化物イオンを含む電解液中で陽極として電流を流すことで作られる。銀が酸化されて塩化銀となり、電極表面に白い膜を形成する。塩化銀はイオン結合性の固体で電気を直接通さないが、固体電解質として働き、電流が流れているように見える特性を持つ。一方、アルミニウムの着色では、まず酸化処理で多孔質な酸化皮膜を形成し、その孔にニッケルなどの金属を析出させることで色をつける。この電解着色法は光の散乱によって特定の色を呈し、特に浅田法と呼ばれる手法は日本で開発され、現在も建材などに広く利用されている。電解によって色や機能を加えるこれらの技術は、素材の応用範囲を大きく広げている。 今回のグループワークは、アノード酸化膜の機能と応用を調べましょうである。 ②演題はアノード酸化膜の機能と応用を調べましょうで、グループ名は名無し、属した人は、山口竜輝、平方誠二郎、三好駿斗、山川騎生、須藤春翔であり、役割は調査係。 アルマイト製品としてフライパン、鍋を挙げた。 ③私は、電界着色法について詳しく調べてまとめた。 電界着色法は、アルミニウムの表面を着色するための電気化学的な方法のひとつで、多孔質な酸化皮膜の内部に金属を沈着させて色を出す技術である。まず、アルミを陽極として電解処理を行い、表面に細かい孔を持つ酸化アルミニウム層を形成する。次に、金属塩を含む電解液中で電圧をかけることで、孔の中にニッケルやコバルトなどの金属が電気的に析出し、特定の色調が生まれる。これは顔料や染料を使わずに色をつける方法で、光の反射や散乱によって自然な色合いが得られる点が特徴である。電界着色法は、耐久性が高く、色あせに強いことから、建材、家電、自動車部品などさまざまな分野で利用されている。また、処理条件を変えることで、ブロンズ、ブルー、ゴールドなど多彩な色を得ることもできる。
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A.①電極電位の実用的な測定には、安定した電位を保つ参照電極が必要であり、銀塩化銀電極がよく用いられる。また、金属表面が酸化物や水酸化物の膜で覆われて酸化反応が進まなくなる状態を不働態といい、腐食を抑える手段として重要である。 次にプリント配線板は、樹脂基板に銅箔を貼り、レジストで配線部分を保護した後、FeCl?によって不要な銅をエッチングして作られる。このとき銅が酸化されて溶け出す。さらに、ドライエッチングは気体やプラズマを使って微細加工を行う手法であり、電子部品の製造工程にも利用されている。これらの技術は、電子回路の精密化や材料の安定性向上において欠かせないものである。 今回のグループワークは、電位ｐＨ図（プールベダイアグラム）を描こうである。 ②演題は電位pH図(プールベダイアグラム）を描こうで、グループ名は名無し、属した人は、山口竜輝、佐藤光介、山根寿々、向田有稀、須藤春翔であり、役割は調査係。 亜鉛の電位を描いた。この電位pH図を描くことで、亜鉛がどの条件で溶けるのか、また、安定であるのか、そして酸化物や水酸化物として存在するのかが分かった。 ③私は、電位pH図について詳しく調べ、まとめた。 電位pH図を用いることで、水中などの環境下で金属がどのような形で存在するかを予測することができる。たとえば、鉄は中性域で腐食しやすく、Fe??やFe??として溶け出す傾向があることなどが挙げられる。一方で、クロムやアルミニウムなどは、酸化物の保護膜を形成して広い不働態領域を持ち、腐食に対して強い安定性を示す。これにより、金属材料の使用環境に応じた適切な選定が可能となり、橋梁や配管などのインフラ、電子機器、化学プラントにおける防食設計にも活用される。 また、表面処理やコーティング技術を組み合わせることで、腐食を抑え、耐久性を高める方針も立てられるため、材料科学や腐食を考える上で非常に重要な役割を果たす図といえる。
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A.①電池の性能や容量は、使用する電極材料や反応物質の種類・量によって決まる。例えば、電池の理論容量は、物質1モルあたりに流れる電気量を使って計算される。ただし、実際には電極反応に過電圧と呼ばれる、反応に必要な余分な電圧がかかるため、理論よりも効率が落ちることがある。 また、乾電池のような一次電池では、エネルギーを長期間保存できるストレージ特性が重要で、自己放電が少ないことが求められる。 そして、電圧を高くするには、直列に電池をつないだり、反応の起電力が大きい物質を選ぶ必要がある。 このように、物質の性質や構造が電池の設計や応用に大きく関わっている。 今回のグループワークは、市販の電池の最大エネルギー密度を見積もろうである。 ②演題は市販の電池の最大エネルギー密度を見積もろうで、グループ名は名無し、属した人は、山口竜輝、佐藤光介、藤森隼也、松原周凛、西島光汰郎、須藤春翔であり、役割は調査係。 アルカリ電池について見積もりを立てた。 亜鉛と二酸化マンガン分子量は65.4と86.9より足して152.3になる。このことを踏まえてエネルギー密度を計算した。 ③私は、電池はなぜ劣化するのかについて調べた。 1つは自己放電であり、内部の化学反応により電荷が失われる現象がおきる。この現象は温度上昇で加速される。次に、電解液・極材劣化 腐食や水分侵入で内部抵抗が増大し、漏れ電流が発生しやすくなることである。そして、外装シール劣化も挙げられる。ケースやパッキンの劣化により、気密性が低下しガス漏れや湿気進入を招いてしまうからである。 これらを防ぐことで、電池の劣化が妨げられ、長く持つ電池が開発できるのだと分かった。
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A.①白色LEDの主流は、青色LEDに黄色蛍光体を組み合わせる方式である。これは青色LEDの光を黄色蛍光体に当てることで、一部が黄色に変換され、青と黄色の光が混ざることで人の目には白色に見える仕組みである。この方式は構造がシンプルで、発光効率が高く、コストも低いため、照明用途で広く使われている。 一方、RGB方式では、赤・緑・青の3つのLEDを同時に点灯させることで白色を作る。色の調整によって多彩な色表現が可能で、主にディスプレイやフルカラー表示装置に使われるが、照明としてはあまり一般的ではない。また、LEDはある一定以上の電圧がかからないと点灯せず、この電圧は発光する色によって異なる。 今回のグループワークは、イオンの移動度から泳動速度を求めようである。 ②演題はイオンの移動度から泳動速度を求めようである。グループ名は名無し、属した人は、山口竜輝、佐藤光介、平方誠二郎、三好駿斗、藤森隼也、須藤春翔であり、役割は調査係。 水素イオンの泳動度とモル導電率からファラデー定数を求めた。 ③私は、蛍光体の材料と発光特性について調べた。 青色LEDの光を黄色の蛍光体に当てることで白色を作る方式では、蛍光体の材料が重要な役割を果たしている。主に使われるのはイットリウム、アルミニウム、ガーネットという無機蛍光体である。この物質は青い光を受けると、黄色の光を発する。青色と黄色が混ざることで、人の目には白く見える。これらは安定性や発光効率が高く、長寿命で熱にも強いため、照明用LEDに広く利用されている。また、蛍光体の粒子の大きさや分布を調整することで、光の色味もコントロールできる。照明の用途に応じて、暖かみのある白色や青白い光を作ることも可能であり、蛍光体の設計はLEDの性能や使い心地を大きく左右する重要な技術である。これらの事が調べて分かった。
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A.①古典熱力学は、温度・圧力・体積といった巨視的な性質を用いて、物質のエネルギー変化を扱う理論である。原子や分子の構造には踏み込まず、全体の挙動を法則的に説明している。 一方、統計熱力学は、古典熱力学を分子や原子の視点から説明するもので、微視的なふるまいを統計的に扱うことでマクロな性質を示している。 19世紀には原子の存在が確立され、20世紀初頭には光と質量の関係も明らかになり、エネルギー理解が一層深まった。 また、2枚のガラスに挟まれた薄膜が電圧により色を変えるエレクトロクロミック現象は、電気化学反応による実用例で、スマートウィンドウなどに応用されている。 これらは、ミクロとマクロのつながりやエネルギー変換の理解に役立っている。 今回のグループワークは、人はなぜ、情報に、エネルギーを使うのかである。 ②演題はなぜ、情報に、エネルギーを使うのかである。グループ名はメモリー、属した人は、山口竜輝、石毛翼、藤森隼也、須藤春翔であり、役割は調査係。 パソコン用メモリの進化は、技術革新と共に性能が向上してきた。1950年代には磁気コアメモリが登場し、トロイ型の磁気コアにビット情報を保存していた。1970年代にはSRAMとDRAMが主流となり、高速化と大容量化が進むが、コストが高かった。2000年代にはDDR2やDDR3が登場し、容量と速度がさらに向上。現在ではDDR4やDDR5が普及しており、1枚あたり2～5Wの消費電力で高性能を発揮している。 ③私はエネルギーの歴史についてまとめた。 人類は古くからエネルギーを活用してきた。最初は火の利用に始まり、木材などの燃料を使って調理や暖房に使っていた。中世になると風車や水車が登場し、風力・水力を動力源として活用。18世紀の産業革命では蒸気機関の発明により、石炭が主なエネルギー源となり、大量生産や機械化が進んだ。20世紀には石油や天然ガス、さらには原子力が加わり、輸送や発電の中心に。近年では環境問題への関心が高まり、太陽光や風力、地熱など再生可能エネルギーへの転換が進められている。 エネルギーは人類の文明発展を支える中核的な要素であり、今も進化し続けている。
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A.(書誌情報)題目: 電量計（クーロメーター）と電位差計（ポテンショメーター）などの現物を確かめよう 著者:須藤春翔 提出日:8/6 キーワード:電気 (要旨) 旧米沢高等工業学校本館で電量計や電位差計を実際に確認し、それぞれの現物について話を伺い、話をまとめた。 銀電量計は、1908年に国際アンペアの定義に用いられた装置で、硝酸銀溶液を用いて電気量を正確に測定する。主に電流計の較正に利用されている。次に、精密級電位差計は、わずかな電圧差も高精度で測定できる装置であり、標準電池は、安定した電圧を長期間保つよう設計され、起電力の基準として用いられている。 スマートメーターは、電気使用量をデジタルで正確に測定し、そのデータを自動的に電力会社へ送信する機能を持つ。これにより電力の見える化が進み、電力会社は需給の調整がしやすくなり、家庭でも省エネや節電が促進される。さらに、停電の早期発見や再生可能エネルギーの有効活用にもつながる。つまり、スマートメーターの普及によって、効率的かつ持続可能な電力供給を実現するスマートグリッドの構築が可能となると考えられる。 (合格に値する根拠)現地での観察、原理やそれに基づいた考察をすることができ、まとめられたと考えられるから。
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A.
A.未解答
A.(書誌情報)題目:化学発光を体験しよう 著者:須藤春翔 提出日:8/2 キーワード:化学発光 (要旨)今回、ホタルの化学発光観察するために小野川温泉ほたるまつりに参加した。7月の上旬だったため、たくさんのホタルが観察でき、カメラには僅かにではあるが収めるこどができた。 ホタルの発光原理として、ホタルはおしり近くの発光器で光っている。そこには発光物質ルシフェリンと、それを助ける酵素ルシフェラーゼがあり、ホタルが体に取り込んだ酸素と反応して光を出している。また、ホタルの発光は、熱をほとんど出さない効率的な冷光と呼ばれるものであり、省エネルギーな発光の仕組みとして注目されている。 私は、この仕組みを応用することで、将来的には高効率な照明技術やバイオセンサーなどの開発に役立つ可能性があるのではないかと考えた。 (合格に値する根拠)現地での観察、原理やそれに基づいた考察をすることが出来たと考えられるから。
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A.(書誌情報) 題目:使用電力量を分析してみよう 著者:須藤春翔 提出日:8/2 キーワード:消費電力 (要旨)化学発光調査期間とした4月、5月、6月の使用電力はそれぞれ562kWh、355kWh、200kWhであった。 家電の調査の対象としてエアコンを挙げた。4月はまだ寒かったため、暖房をつけていた。エアコンの暖房の消費電力は1.360kWhであった。 仮にエアコンが全体の消費電力の40パーセント程であるとすると、月あたり165時間使っていると考えられ、一日あたりだと5.5時間も使っていることになる。 節電の方法としては、温度調節、風向きの変更、極力使用を避けることが挙げられ、ネットにも同様の方法が掲示されていた。実際に5月から実施してみた。気温が暖かくなってきたこともあるが、この節電方法によって、5月は月あたり355kWとなり、確実に節電できたと考えられる。 (合格に値する根拠)実際に消費電力量を分析し節約の方法を考察、実行することが出来たと考えられるから。
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A.「はい」 エネルギー化学の講義を通して、エネルギー問題が私たちの生活や将来に深く関わっていることを改めて実感しました。 この講義をきっかけに、自分でもエネルギー関連の最新技術や世界の動向を少しではあるものの調べるようになり、自分なりにできることを模索するようになりました。 将来的には、学んだ知識を活かしながら、エネルギーに関する課題に対して柔軟に考え、行動できる人間になりたいと感じました。
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A.① 授業内で実際に電圧測定器を用いて、コンセントの電圧を測った。結果は、102.6Vとなり、公称値は100Vであることがわかった。また、街中は、6600V~20万Vの莫大な値の電圧が流れている。電圧を測る時、非常に危険なので、指さし呼称、やりきり厳守を徹底して、二次感電の発生を防ぐことを学んだ。また、PV線図のPV面積は、エネルギーJに値し、グラフからぱっと見でエネルギー量を求められることがわかった。示強因子、示量因子についても学び、PV線図において、Pは示強因子、Vは示量因子であった。エネルギーには大まかに6種類あり、化学エネルギー、熱エネルギー、運動エネルギー、位置エネルギー、電気エネルギー、光エネルギーがあり、どれも大事なエネルギーである。 ②日々お世話になっているエアコンについて取り上げた。１キロワットアワーでどのくらいのエアコンが稼働するのか調べたところ、一般的なエアコン（冷房力2.2kW程度）を使用した時に1キロワットアワーで約30分?１時間程度稼働可能であることが分かった。これは、1キロワットアワーで十分に涼しく快適に過ごせると思った。電気代は約31円かかる。 ③授業内で電解製錬についての話題が出てきたので、電解製錬についてまとめた。電解製錬とは、金属を高純度にするための製錬方法の一つで、電気を使って不純物を取り除く技術のことである。使用されるものとして、陽極、陰極、電解液を用いる。銅を例にとると、まず、陽極の粗銅が溶けて銅イオンになる。そして、銅イオンが陰極に移動し、純銅として析出する。最後に、不純物は溶けずに陽極泥として沈殿することにより、電解製錬ができる。
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A.① まず、授業初めに上杉鷹山についての話を聞いた。菜種油は戦国時代に主流になった。上杉鷹山は、漆からでてくるろうを用いて、ろうそくの原料を開発した。漆よりハゼの方が煙が出ないことから、ハゼの方が主流になっていった。これに関連して、授業では、ろうそくの燃焼エネルギーなどについて学んだ。パラフィン6グラムから得られる熱量を求めたら、270kjであることが計算結果から求まった。授業中にろうそくに火をつけ、1時間で半分くらいのろうそくが消えたので、そこから得られる情報をもとに、ろうそくの電力を求めると、135000j/3600sで37.5Wであることがわかった。 ②１キロワットアワーで走れる距離についてベンツを例に考えた。ガソリンの発熱量は約10kwhでベンツの燃費は19.4kw/Lであった。変換効率を30%と仮定したら3kwhが運動エネルギーとして使用されるので計算すると、6.4km走れることが分かった。また、電気と比較をして、電気の場合は、満タンで500~600km走れるので計算結果8.8kmということが分かった。比較すると、電気の方がまだ効率が良い。 ③授業内でろうそくについて出てきたので、ろうそくについてまとめた。ろうそくの歴史としては、紀元前3000年頃に古代エジプトで麻の芯に動物性脂をしみ込ませた灯火が使われた。これが始まりである。時代は経ていき、日本では上杉鷹山が漆からでてくるろうを使って、ろうそくの原料を開発した。素材はどんどん進化していき、動物脂、蜜蝋、木蝋、鯨蝋、パラフィン蝋などが出てきた。現在のろうそくの用途としては、明かりだけではなく、リラックス効果に用いたアロマキャンドルや仏壇用、結婚式や誕生日、インテリアなど用途が広がった。
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A.① 示強因子や示量因子について考え、PVグラフやQVグラフでの示強因子、示量因子はどちらがどれかというのについて考えた。電気エネルギーについても考え、電力と動力の違いについても学んだ。それに関連して、3回目のテーマである、電気を運ぶことについて考えた。物質には物性値という固有の値があり、それぞれエネルギーと深い関わりがあることがわかった。電線に使う物質は何が良いのか物性値を参考にして考えたりして、銅は重いから不向きであったり、アルミニウムは塩に弱いから海沿いの電線には不向きであったりとその場所ごとに適しているものを考えなければならないなと思った。最後のプレゼンである班の方は、ノルウェーイギリス間の送電についてプレゼンしてくれた。 ②グループワークでは、送電線のエネルギー損質について議論した。その中で、地中送電線について取り上げた。まず、地中送電線の材質はアルミニウムで、断面積は80mm2、電圧が6600V、抵抗率が2.5×10-8Ωmであることが分かった。これを計算して、1kmあたり0.3125Ωであることを求めた。私たちグループはここまでしか時間内に議論することができなかった。 ③授業内で電線について触れていたので、電線についてまとめた。電線に使われる代表的な金属は、銅、アルミニウム、銀、金、ニクロム（合金）であることが分かった。なかでも、銅の用途が幅広く、特徴的にも、電気伝導率が高く、加工しやすく、価格も比較的安定していて、電力線や家電コード、配線全般に使われている。次いで、アルミニウムの使用が多いが、アルミニウムは銅に比べ、軽いというメリットや価格が安価で長距離に向くが、電気伝導率が銅の約60%である。そのため、高圧送電線や航空機用配線に使われる。だから、用途によって金属を使い分ける必要がある。
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A.① まず、温度とエントロピーの関係のグラフについて学んだ。このグラフはTSグラフと呼ばれ、縦軸T、横軸Sのグラフとなり、これは熱エネルギーに関連していることがわかった。次に、光エネルギーについて学んだ。光エネルギーはhν[J]であり、それぞれ示強因子、示量因子について考えると、hのプランク定数が示量因子、νのヘルツが示強因子であることがわかった。また、周波数が高い方がエネルギーが高いということを学び、青と赤では青の方が高いことがわかった。青は紫外線UVで、目には見えないものであるということもわかった。赤外線IRは赤よりは低いものの、とても温かく、冬の暖房などに使用されていて、紫外線と違い、日焼けはしない。これは、周波数が低いからである。最後の方に、乾電池の電圧を測り、測定結果は1.5555Vであることがわかった。 ②グループワークでは、抵抗器の電気測定を実測しようというテーマで議論した。クラスの代表者が実際に登壇し、前に出て電気測定をした。その結果値がぶれたりしていて読み取るのに時間がかかっていた。このことからグループでは、測定結果の数値を読み取る際に、値がぶれていてもそこから精査していくことが大切という結論に至った。 ③4回目以前の授業で示量因子、示強因子について学んできて、今回は光について学んだので、光についても因子関係を考えた。光の示量因子は、プランク定数であり、示強因子はヘルツであることが分かった。光の色によって周波数やエネルギーが違い、周波数の違いで虹がきれいに見えたりする原理がとても面白いなと思った。
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A.①電池について学んだ。みんなが良く知っている直列繋ぎは、ボルタさんという人が考えたということが分かった。また、アノード、カソード。電解質という3つの要素をセルということも学んだ。隔膜というものもあり、別名セパレータとも呼ばれ、分離に使うすごく大事な役割をもつ物もある。最近はセロハンをセパレータに用いる。単極式、複極式についても学び、単極式は低電圧、大電流に対し、複極式では、槽電圧が単層電圧×層数により、大電圧、小電流となっている。また、複極式では、槽間の接続ブスバーは不必要でそのオーム損は小さくなるが、液を通しての短絡電流を防ぐ工夫が必要である。 ②グループワークでは、亜鉛と銅の電池における電気力線と等電位線を考えた。電気力線は、液槽内で亜鉛側から銅側へ液面と平行な数本の直線であると考えた。等電位線は、よくわからなかったが、亜鉛電極と銅電極に平行で数本あるかなと考えた。等電位線は電気力線と直行するイメージなのでこうなるのではないかという議論をしてこの結果に至った。 ③授業で、イオン交換膜法ソーダ電解について触れたので、イオン交換膜法ソーダ電解についてとりあげてまとめた。まず、イオン交換膜法ソーダ電解は、食塩水から水酸化ナトリウム、塩素、水素を製造する方法であり、今の工業的な主流であることが分かった。食塩水を電気分解すると水酸化ナトリウム、塩素、水素ができる。陽極で塩素が発生し、陰極で水素が発生、水酸化ナトリウムが生成される。なぜ、イオン交換膜を使うかというと、Na+だけを通し、Cl-を通さない点とNaOHの純度をあげる点が使用理由である。
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A.①電気力線の混み具合のことを電流密度ということが分かった。電流密度は局所的に反応がどのくらい進んでいるかどうかわかるものである。電流Aの単位はC/sであり、これは1sあたりに流れる電気量を示していることが分かった。また、電流計が正しいかどうか確かめることを校正といい、校正するには、電解槽に電気を流して、析出物のmolをチェックする必要がある。電解液の設計を建浴と呼び、建浴とは組成を決める作業であることも学んだ。 ②グループワークでは、メッキ処理が利用されている商品について議論した。スプーンを例に挙げて議論した。建浴について調べ、下層は、電気めっき法を用い、ニッケルイオンを含むめっき液中で電流を流してスプーン表面にニッケルを析出させる。上層では、ニッケルめっきの上に、クロムイオンを含むめっき液中で電気めっきを行う。これらの操作により、建浴を行うことができる。グループワークでは、ここまでしか議論することができなかった。 ③授業で校正について触れていたので、校正についてまとめた。電流計の校正とは、電流計が表示する値が正確かどうかを確認、修正する作業である。次になぜ、校正が必要かについてまとめる。校正する理由については、測定の信頼性を確保するためや、測定誤差が大きいと、装置の制御や判断に重大なミスが生じる可能性があるためである。こういった点で測定機器における校正が重大な役割を担うことになる。
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A.①ギブスの自由エネルギーと電気エネルギーの関係について学んだ。ギブスの自由エネルギーは、平衡を表していることも分かった。雰囲気のもとでaH+=1の電解液中で水素気体電極が25℃において、表す単極電位を標準水素電位電極（NHE）とよび、これを零と定義することも学んだ。標準酸化還元電位を参考にネルンストの式から電位プロファイルを書いたりした。また、活量１のときは、pHが０である。 ②グループワークでは、ダニエル電池の電位プロファイルについて議論した。横軸に距離をとり、縦軸に電圧をとって電位プロファイルを描いた。左側に銅電極、右側に亜鉛電極を設定して電圧計を介入させて回路図を作成した。銅電極の右側で電圧が下がり、亜鉛電極の左側でまた電圧が下がるプロファイルとなる。これ以上の議論をすることができなかった。 ③授業でギブスの自由エネルギーと電気エネルギーの関係について触れていたので、これについてまとめる。まず、ギブスの自由エネルギーとは、反応が自発的に進むかどうかを判断するエネルギーのことである。また、電気エネルギーとは、電気の力でなされる仕事のことである。ΔG＝―nFEという式からもギブスの自由エネルギーと電気エネルギーの関係がわかる。起電力と電子数とファラデー定数が分かれば、ギブスの自由エネルギーを求めることができる。
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A.①ネルンストの式から横軸がpH、縦軸がEのグラフを描くことができるということを学んだ。還元体、酸化体に注意しながら式を作り、Fe2+のグラフとFe3+のグラフを描いた。また、pH電位図では、理論分解電圧だけではなく、過電圧も必要であると学んだ。電流というものは、電気量を時間で割ったものであるので、電流は反応速度を表すものである。ターフェルの式は、アレニウスの式の形と本質的に同じであることも学んだ。水の電気分解は今ではかなり古い技術であることが分かった。 ②グループワークでは、水電解のエネルギー変換効率を求めるお題で、これについて議論した。方針として、Electrolyzer Corpの電解槽において70℃における理論分解電圧を熱力学的データから算出し、実測値との差から過電圧と電圧効率を求める。そして、電力消費量と生成水素量からエネルギー変換効率を求める。議論では方針しか決めることができず、実際に計算して値を出すことができなかった。 ③授業で交換電流密度について触れていたので、交換電流密度についてまとめる。まず、交換電流密度は、電気化学、特に腐食や電極反応を理解するうえでとても重要な概念である。交換電流密度とは、電極反応が起こっていないときに、電極表面で単位面積あたりに実際には流れている微小な正味ゼロの電流密度のことである。電極反応が平衡状態にあるときに酸化反応と還元反応が同じ速さで起きていて、正味の電流がゼロになる。これが、交換電流密度の原理である。
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A.①9回目では、エネルギーダイアグラムについて学んだ。実際にグラファイトを例に考え、σ結合とπ結合で電位が違うことをエネルギーダイアグラムで表した。σ結合の方が電位が低く、π結合の方が電位が高かった。水素でも考えて、水素は電子軌道や分子軌道があり、軌道によって変わってくるということが分かった。また、電気エネルギーは、電圧×電気量であることも学んだ。他の分子でもエネルギーダイアグラムを考えてみようと思った。 ②グループワークでは、電気化学測定法について議論した。p-n接合エネルギー順位について調査した。Pに正、nに負の電圧で順にバイアス、逆だと逆バイアスとなった。自分たちの班は時間がなくて、ここまでしか議論をすることができなかった。ΔEFはフェルミ順位の差を表すことは分かった。電気化学測定法は難しいなと思った。 ③授業内で、エネルギーダイヤグラムについて、話題を取り上げていたので、このエネルギーダイヤグラムについてまとめる。エネルギーダイヤグラムとは、物質のエネルギー状態を図で表したものである。反応の進行や電子の遷移、安定性を視覚的に理解するためによく使われる。エネルギーダイヤグラムは、化学反応エネルギーダイヤグラムや、電子構造エネルギーダイヤグラム、バンド構造のエネルギーダイヤグラムなどがある。用途によってエネルギーダイヤグラムを使い分ける必要がある。
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A.①9回目の応用で、エネルギーダイヤグラムを用いたガスセンサについて学んだ。縦軸に/evエネルギーをとり、横軸に/m距離をとったグラフである。また、空乏層についても学んだ。空乏層とは別名空間電荷層とも呼ばれ、ゲートに電圧をかけて意図的に作るものである。酸素の吸着によって空乏層が形成され、抵抗を変化させることもある。酸素の吸着は、負電荷吸着といい、半導体表面の導電率が低下する。これに対し、正電荷吸着というものがあり、これは半導体表面の導電率が増加する。例として炭化水素や、一酸化炭素、水素などが挙げられる。 ②グループワークでは、電気化学センサについて議論した。ｐHメータを取り上げた。流れとして、水溶液中の水素イオンの活量を電気信号として送り、ｐH値として表示する。そして、ガラス電極と比較電極を用い、ネルンストの式から電位差を測定することによってｐHメータとして機能する。そして注意点として、温度補正が必要であることが調査結果で分かった。理由として、プロトン以外にも干渉の可能性があるからである。ここまで議論をすることができた。 ③授業内で、酸化スズがなぜ半導体なのかについて取り上げていたので、これについてまとめる。まず酸化スズについてだが、酸化スズは白色、または無色透明で、用途はガスセンサや透明電極などである。次に酸化スズがなぜ半導体なのかについてだが、バンド構造に注目するとわかりやすい。半導体のバンドキャップは、中くらいで0.5～4eVである。酸化スズのバンドギャップは約3.6eVであるので、半導体と言える。また、絶縁体に近いように見えるが、不純物や酸素欠損のおかげで自由電子が生まれやすいため半導体である。このため，導電性ができて、半導体になる。また、スズの酸化状態が可変することでこのようになるとも考えられる。
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A.①まず、前回の復習から始まり、アノードは酸化が起きる方、カソードは還元が起きる方と言う内容を再確認した。化学反応なしで電気を溜めれるものをコンデンサーという。コンデンサについてで、電解コンデンサというものがあることを知った。電解コンデンサは、被膜の厚みが薄いと、高い電圧で使えないけど、容量が多いが、逆に、被膜の厚みが厚いと、高い電圧で使えるけど、容量が少ないということを学んだ。また、アルマイトは、表面酸化物なので、それ以上酸化しないことも学んだ。 ②グループワークでは、アノード酸化被膜の機能と応用について議論した。アノード酸化被膜の機能として耐食性、耐摩擦性の向上、絶縁性、装飾性、着色性、密着性が挙げられた。応用例として硬質アルマイトを車の部品（主にエンジン部品）として応用した。この処理中に自然に黒?濃いグレーに発色することも調査結果で分かった。ここまで議論をすることができた。 ③授業内で、浅田法について触れていたので、浅田法についてまとめた。浅田法とは、電気化学において 金属の腐食速度や防食性能を評価するための実験手法の一つである。特に、さび止め塗料や金属表面処理などの防食技術の評価に使われる。金属試料を特定の電解液に浸けて、ある一定の電位を加えて、そのときに流れる電流密度を測定することで、腐食の起こりやすさを数値的に評価する方法である。測定から、腐食電流密度や腐食電位、防錆効果がわかる。
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A.①12回目は、電極や金属について学んだ。金属には、卑金属、貴金属があり、卑金属は、イオンになりづらい金属である。対して貴金属は、イオンになりやすく、さびやすいということを学んだ。実際の工業材料では、純物質ばかり使わずに、ステンレスや合金などを使用している。Reference electrode は参照電極という意味で、別名基準電極と呼ばれている。この言葉は、業界によって使い分けられている。また，エッチングについても学び、エッチングはネルンストの式からグラフをかける。エッチングには何種類かあり、ウェットエッチングや、ドライエッチングなどがある。 ②グループワークでは、電位pH図（プールベダイアグラム）を描くための議論を行った。横軸にｐHをとり、縦軸に電位をとった。亜鉛部分や水酸化亜鉛などの３か所に分かれたグラフを教科書から見つけて、そのまま描いた。グラフから、電位は境界によって下がっていくことが分かった。時間がなくて、自分たちの班はここまでしか議論することができなかった。他の物質でも電位ｐH図をかけるように概要を理解する必要があるなと思った。 ③授業でドライエッチングについて触れていたので、ここではドライエッチングについてまとめる。ドライエッチングは、半導体や微細加工の世界で非常に重要な技術である。まず、ドライエッチングとは、気体を使って材料の表面を化学的または、物理的に削り取る方法のことである。数十nm??mレベルの精密な加工が可能であったり、液体を使わないので汚れにくく、反応を精密に制御しやすいなどの利点がある。ドライエッチングにも何種類かあり、物理的エッチング、化学的エッチング、反応性エッチングなどがある。主に、半導体製造の時にドライエッチングが行われる。
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A.①13回目は腐食電流などについて学んだ。アノードが勝手に腐食することをストレージ特性といい、ストレージ特性にたいへん優れているのが乾電池であることを学んだ。また、電圧を大きくするためには、最も卑金属であるLiを使うべきであることも学んだ。実験などにおいて、エステルは特徴的にフルーツ系の良い匂いがするために、もし実験でエステルをこぼしたりしたときに匂いで判別できるという豆知識も聞いた。1970年にリチウム電池が出始めたことも学んだ。 ②グループワークでは、市販の電池の最大エネルギー密度を見積もろうというテーマをもとにリチウム電池について議論した。方針として、リチウム電池の理論容量を求め、重量エネルギー密度を求めてから、体積エネルギー密度を求める必要があると分かった。計算すると、重量エネルギー密度は247wh/kgになり、体積エネルギー密度が600wh/Lになった。これで、最大エネルギー密度求めることができた。 ③授業で犠牲防食について触れていたので、今回は犠牲防食についてまとめた。まず、犠牲防食とは、自分より腐食しやすい金属をあえて取り付けて、そちらを先に腐食させることで、守りたい金属を腐食から守る方法である。犠牲防食は、金属の腐食を防ぐ方法のひとつで、非常にシンプルかつ強力な技術である。例として、鉄を守るために亜鉛を使ったりする。電子を犠牲陽極が供給することで、鉄は還元状態に保たれ腐食しないシステムを使っている。よく、犠牲陽極に使われる金属は、亜鉛、アルミニウム、マグネシウムである。
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A.①14回目では、電球や色について学んだ。イギリスでスワンという人物が電池を発明し、次いで、エジソンが仕事用の電池を開発した。白熱電球は、東芝が日本初である。また、色中心、別名カラーセンターという言葉を学び、蛍光材料を作る工程において、色中心をどうするのかということについて調べた。蛍光材料の仕組みについては、イオン結晶中の格子欠陥に特定の波長が吸収されて、色を帯びることであった。蛍光マーカーについても学び、励起波長と検出波長では結構波長が違うことが分かった。 ②グループワークでは、イオンの移動度から泳動速度を求めようというテーマをもとにイオンを水素イオンに決定し議論を行った。まず、水素イオンの移動度が32.6×104cm2/vsであることが分かった。そして、導電率が315S/cm/(eq/cm3)であることもわかった。ここまでしか求めることができなかったが、これ以降に1mol/Lの導電率を求めたり、電場を求めたりしたら、イオンの移動度から泳動速度を求めることができるのではないかと考えた。時間がなくてここまでの方針しか考えることができなかった。 ③授業で色中心について触れていたので、色中心についてまとめた。色中心とは、結晶中において、欠陥によって電子が閉じ込められ、光を吸収するようになった部分のことをいう。これが、色の原因になる。例としてF中心を挙げると、結晶中の陰イオンが欠けた場所に自由電子が捕まると、この電子が可視光の一部を吸収し、結晶が黄色っぽく見える仕組みである。F中心の他にもピンク色のV中心や無色?淡色のH中心などがある。放射線を照射したときや高温加熱、結晶の塑性変形した際に色中心が出来上がる。
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A.①15回目では復習をメインに授業を進めた。統計熱力学と古典熱力学について学んだ。古典熱力学における一番の目標が蒸気機関をいかに効率よくするかというものであることも学んだ。また、紫の光についても学んだ。紫の波長は非常に危険であり、最初は腹痛などの体に支障をきたす程度であるが、だんだんとDNA損傷が始まり、再生不可となってしまって最悪死にいたるということを学んで怖いなと感じた。また、ウランについても学び、ウランはいずれ枯渇してしまうからあまり期待できないが、二酸化炭素があまりでないため、原子エネルギーに利用されている。ウランの濃縮方法も学んだ。 ②グループワークでは、人はなぜ、情報にエネルギーを使うのかというテーマをもとにスマホを例にあげて議論した。スマホは使う際に熱を発する。これをキーポイントに話し合いを進めた。この熱を発するというのは、情報処理にエネルギーを使うからであり、そこまでしてスマホを使うのは、情報が生きるための役に立つものであると考えるからであると議論した。スマホにおける年間消費電力が3kw?5kwであり、スリープ状態にすると0.1W?0.3Wに抑えられたり、SNSを使用すると一回当たり平均して1~2W要することが分かった。 ③授業でウランの濃縮方法について触れていたので、ウランの濃縮方法についてまとめた。まず、ウランの濃縮方法には何種類かあり、遠心分離法や気体拡散法、レーザー分離法などがある。この中でもとくに遠心分離法が主流である。遠心分離法の原理は、６フッ化ウランという気体を高速回転する遠心分離機に入れる。重いU―238が外側に、軽いU-235が内側に偏る。これを何段階にも繰り返して、U―235を少しずつ濃縮していく。この方法によって濃縮が可能になる。この方法が現在、世界中で最も使われている方法である。
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A.化学発光の課外報告書に手間暇を注いだ。生物発光を実際に見るために、ホタルで有名な小野川温泉に実際に赴いて、生物発光を目で確認した。実際に行くと、何匹ものホタルが黄緑色にゆっくり点滅して飛んでいた。とても綺麗だった。また、日本で見られるホタルには3種類いて、ゲンジホタル、ヘイケボタル、ヒメボタルがいることがわかった。ゲンジホタルは黄緑色でゆっくり点滅する。ヘイケボタルは、黄緑色～黄色で早い点滅である。ヒメボタルは、橙色～赤色で点滅が早く光が短い特徴である。実際に小野川温泉で見たホタルは、ゲンジホタルではないかと推測した。ホタルの光る仕組みとして、ホタルは、ルシフェリンという物質を、ルシフェラーゼという酵素の働きで酸素と反応させることで光を生み出していることがわかった。ルシフェリンは、ホタルの発光器にある化学物質で、光を出す元であり、ルシフェラーゼは、ルシフェリンに酸素を取り込ませる反応を助ける酵素である。ホタルの光は90%以上が光エネルギーに変換されるので、とても効率の良い発光であることもわかった。
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A.使用電力量を調べる課外報告書を選んだ。この課外報告書をしたことにより、数値を見える化して節電意識がよりいっそう高まった。実際に節電を意識した月が数値で現れていたので、さらに節電意識を高めるために日常的な冷蔵庫の開け閉め回数を減らすなど些細なことから始めて行きたい。冷房時の消費電力量は、約0.6～1.0?kWh／時であり、再熱除湿では 1.1?1.6?kWh／時 となり、冷房よりも電力消費が高い傾向であった。このことからは、除湿より冷房の方が消費電力が少ないことがわかった。また、毎日意外と使う時間の長いドライヤーについて調べてみた。普段使用しているパナソニックのナノケアのドライヤーについて調べてみると、消費電力が1200Wであった。普段何も考えずに家電を使用しているが、ひとつひとつ電力を消費しているので，考えながら電力を使っていかなければならないなと再認識した。また、図書館に行ったりして自宅にいる時間を減らし、省電力を減らすなどの取り組みも続けて行きたいと思った。
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A.
A.未解答
A.もっと褒めてほしい課外報告書に、実際に、米沢工業高等学校の建物内に入って、昔使用していた電量計や電位差計、その他の計測機器を見学した課外報告書を選んだ。以下に、実際に見学した機器についての説明を明記する。 銀クーロメーターは、ファラデーの法則に基づいて電気量を正確に測定するための装置である。主に銀の電析反応を利用する。銀電極と硝酸銀溶液を使用し、酸化還元反応とファラデーの法則から、電流と時間を用いて、析出した銀の質量がわかり、逆に銀の質量から流れた電気量が正確にわかることを利用しているのが銀クーロメーターである。 次にポテンショメーターとは、電位を正確に測定するための高精度な電圧測定器のことで、電流を流さずに電圧を測れるのが大きな特徴である。測定方法としては、まず、抵抗線に一定の電流を流して電位勾配を作り、その電位勾配と測定したい電池の電圧を比較する。次に、ガルバノメーターを使って、電流が流れない点を探し、そのときの、スライダー位置から電圧を読み取ることで測定が可能である。 ウェストン電池とは、非常に安定した起電力を持つ標準電池で、長年にわたり電圧の基準として使用されてきた。1893年にエドワード・ウェストンにより発明され、主に、校正や測定器の基準として使用されている。陽極に、水銀と硫酸水銀、陰極にカドミウム、電解質に飽和硫酸カドミウム水溶液を用いた構造である。非常に温度に敏感で、一定温度下でのみ高精度を保てるのが特徴である。 最後に、スマートメーターとは、電気の使用量をデジタルで自動計測・送信する機械のことである。内蔵のセンサーやICで高精度に電流・電圧を測定することが可能で、30分ごとの使用データを内部に記録している。上記３つのアナログなものではなく、デジタルで、家の外などによくついている。
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A.はい。 エネルギー化学で学んだ知識をこれからの研究に活かして行きたい。
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A.①本講義ではエネルギーについて学び、仕事と熱量の関係式の話をした。またエネルギーには様々な種類がありそれぞれのエネルギーで示される示強因子や示量因子の話をした。熱については、気体の状態方程式であるPV=nRT という式が成り立ち両方（J）で表せる。現代の電気化学でカルノーサイクルの制約について示強因子と示量因子が示すグラフで囲まれている部分が仕事（J）を表すことを学んだ。 ②ワークショップでは1kwhで作れるものを話し合った。グループでは電気分解に視点をおきアルカリ水電解法で水を電気分解した場合について議論した。アルカリ水電解法は水を電気分解して水素を生成する技術で、再生可能エネルギーを利用した環境に優しい水素製造方法である。この電解図と化学式をたて、計算したところ1kwhで250Lの水素が作られることが分かった。 ③示量因子とは化学分析や計算においてある量かr目的の化学種を計算するために使う換算係数のことである。
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A.①本講義ではだ一回目で学んだ気体の状態方程式についての確認を行った。特に各項の単位の角煮を行った。それぞれの記号が何を示しているかの再確認をし物理量を扱う際に単位の重要性を学んだ。その後、産業革命以降は石油から石炭に変わり燃費を減らす目的があることを学んだ。パラフィンと乾電池を比較して電気燃料と化石燃料どっちが良いのか課題としてグループワークをした。この際、化学式をたて、エンタルピーを試料して行った。その結果、電気燃料のほうがいいことがわかった。身近なものからエネルギー量を算出することでエネルギーの価値を見出した。 ②グループワークではランボルギーニとテスラの燃料の1kwhで走れる距離を比較した。ランボルギーニでは5.8km/Lに対しテスラは6.4km/kwh。燃費がランボルギーニがハイオクの場合5kw/L、テスラがハイオク35?J/Lで10kwhで変換効率を3％と仮定すると6.4㎞/kwh走れることがわかった。よってテスラのほうが燃費がいい。 ③エンタルピーとは熱エネルギーのやり取りに関する熱力学の状態量の一つで特に圧力が一定の条件下での熱の出入りを扱う時に使われる値。
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A.①本講義では、電気によるエネルギーについて学んだ。電気に関する示強因子は電圧（J/C）、示量因子は電気量（C）である。この二つが囲むものが電力量（kwh）である。ペースで表すと電力W⇔馬力として換算できる。エネルギーと物質の関係では電機は電線などに利用される。送電ケーブルのキーワードとして材料の物性、機能がある。電気伝導率が物性値とイコールの関係であるということ、つまりできるだけ電気抵抗の少ない材料で電流を運びたいということである。昨日は材料とエネルギーがつながって生まれる。昨日は数量化でき熱物体や光物体、電気物体といった部聖地としてまとめられる。物体はエネルギーと密接関係である。 ②グループワークでは送電用ケーブルについて学びワークショップで送電線のエネルギー損失について話した。グループでは世界で一番長い海にある送電線ケーブルについて調べた。抵抗までは調べることができたが時間が足りずエネルギー損失の算出間でhあ計算できなかった。 ③電気伝導率とは物質が電気をどれだけ流しやすいかを表す性質である。
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A.①本講義では、光について学んだ。光の示強因子はνである。示量因子はhとも言い振動数でもある。周波数は、赤＜青＜紫外線と強くなっていき紫外線は目に見えない。UV（ウルトラバイオレットと言われる。）マクロを物質量、ミクロは粒子と言われている。hνはミクロである。またネルンストの式を学んだ。これは電気エネルギーと熱エネルギーの平衡の式である。RTというマクロの式をミクロに変えるとKbTで表され、FEというマクロの式をミクロに表すとeEに表すことも学んだ。回路についても学んだ。金属では電子非局材化、導電性がある。抵抗器の抵抗し測定の種類についても学んだ。色によって抵抗の強さがわかれてる。 ②実測データについて調べた。実測データとは他の誤差が大きく、安定しない場合範囲で表現することで値を表す。正しい実測データを得るには計測技術の向上や、測定器の使い方の知識を得ることでできるとわかった。 ③非局在化とは電子が特定の原子や結合に固定されず、分子全体や構造の一部に広がって存在している状態をさす。
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A.①本講義では、電池の組み立ての仕方などを学んだ。電圧を簡単に上げる方法は直列繋ぎである。酸化が起きる極をアノード（陰極）電子を受け取る、還元が起きる極をカソード（陽極）電子を与える、という。電池を作ったときに中にある物質を電解質、真ん中にしいてあるものを隔膜という。モノポーラを合体さっせた物をバイポーラという。モノポーラは電極に電気を供給する導体が大量に必要であり低電圧ある。バイポーラは大電圧で小電流、抵抗が小さい。電解槽についても学んだ。二曲をつなぐものを塩橋と呼ぶ。この電解槽を上から量ると電気力線と等電位線となって見える。電気力線の込み具合を電流密度とも言いA/m^2で表せる。 ②グループワークではダニエル電池についての電解槽を読み取り、等電位線と電気力線を書いた。アノードでは硫酸亜鉛、カソードでは硫酸銅であることを確認し、授業で学んだことをいかして、書いた。 ③電解槽とは電気エネルギーを使って化学反応を起こす装置である。
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A.①本講義では電気力線と等電位線の書き方を復習し、アノードとカソードの位置関係によって電場の様子がどのようにするかをマンだ。電気力線の密度は電流密度をあらわす電流は反応速さに比例し、電気量は生成・消費される物質の量と関係することそしてファラデー定数を通じて物質量と電気量がつながっていることを確かめた。また表面処理技術の一つであるめっきについてニッケルめっきや下地処理など、用途によって使い分けられていることがわかった。電流効率についても学んだ。電流効率とは、ねらった反応がどれだけ進むかを表している。求め方として、（実際に得られた目的の製品の量）/（流れた電気量から計算される製品の理論生産量）で求まることがわかった。 ②グループワークではめっきを施された工業製品を選び、その建浴ついて話し合った。例として自動車を塚t。自動車にはクロムメッキが使われており自動車の塗装や装飾品などに使用される。美しい光沢をもち、耐久性が高い。対象物にクロム金属で析出できるめっきであることが分かった。 ③ファラデー定数とは1モルの電子が持つ電気量を示す定数である。
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A.①本講義では、ギブスの自由エネルギー変化の式を復習し、電気エネルギーと自由エネルギーの関係について学んだ。まずギブスの自由エネルギーはΔG=ΔH-TΔSで表せ、ΔHはエンタルピー、ΔSはエントロピーである。エネルギー変換についても学び、その際に必要なエネルギーを活性化エネルギーといい一見止まっているような状態を平衡状態と言う。ギブスの自由エネルギーを電池におけるエネルギー変換すると-ΔG＝ΔH－STであることが分かった。平衡状態の時反応速度は0でありつまり電流も0であるといことが分かった。また標準電極電位についても学び例にダニエル電池を用いた。亜鉛は-0.7627V、銅は0.337Vであることを教科書を用いて読み取った。次にネルンストの式を用いて銀塩化銀電極の起動力を調べた。 ②グループワークでは教科書からダニエル電池を選び、具体的な化学種などを話し合い図示することができた ③標準電極電位とは標準状態での電極反応における電子を受け取る力の強さを示す値である。
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A.①本講義では、ネルンストの式に基づく電位と濃度の関係を教科書をみて グラフを確認し、pHと電位の関係やオートプロトシスのメカニズムについて学んだ。鉄イオンの酸化式を例にネルンストの式に組み立て、縦軸E,横軸濃度としてグラフにプロットした。グラフから読み取ると電圧が上がるにつれて酸化力が高いことが分かった。また理論分解電圧についての話をし、水の理論分解電圧は1.23Vであるが実際は1.23V加えても電気分解されない。活性化エネルギー分の電圧がありておらずこれを過電圧という。また、過電圧はターフェルの式によってあらわせる。 ②グループワークでは水のエネルギー変換効率について話し合った。水の70℃での理論分解電圧は1.4Vであり、教科書で確認できた。化学式をたて、グラフで確認すると温度が上がると過電圧は大きくなることが分かった。 ③ネルンストの式とは濃度ナノ条件が標準状態でないときの電極電位を求める時の式である。
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■総まとめ（エネルギー化学2025R07）
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エネルギー化学
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成績申請と単位認定請求
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第百十三条 大学は、教育研究の成果の普及及び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。
