01 / 読書ガイド
読書ガイド
引用
Bard, A. J., Faulkner, L. R., & White, H. S. (2022). Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications (3rd ed.). Wiley.
章の要約
第3版は約1,100ページで、21章と3つの付録からなる。第1.7節が本書の構成を説明している。第1章は導入、第2〜4章は中核となる基礎、第5〜7章は中核となる方法、第8〜12章は追加の方法、第13〜16章は発展的な基礎、第17〜21章は発展的な系と方法である。最初の7章は順に読むことを想定しており、残りのグループは関心に応じて選べる。多くの章は末尾に参考文献と問題があり、概念を実験室の実践に結びつける「Lab Notes」（実験ノート）を含む章も多い。
第1章：電極過程の概観
さまざまな背景の読者に向けて大幅に改訂された導入。基本的な考え方、ファラデー過程と電極反応速度を左右する因子、物質移動律速の反応、化学反応が共役したネルンスト反応の半経験的な扱い、セル抵抗と電位の測定、電極/溶液界面と充電電流を扱う。最後に本書の構成、電気化学の文献案内、ポテンショスタットに関する実験ノートが置かれる。
第2–4章：セルの電位と熱力学／電極反応の基本的な速度論／泳動と拡散による物質移動
第2章は電気化学熱力学、界面の電位差、液間電位差、イオン選択性電極を扱う。第3章は均一系の反応速度論を復習し、バトラー–フォルマーモデル、電荷移動の微視的理論、開回路電位、多段階機構を展開する。第4章は物質移動の方程式、泳動、拡散、物質移動問題の定式化と解法を示す。
第5–7章：超微小電極での定常ボルタンメトリー／電位ステップに基づく過渡法／リニアスイープ法とサイクリックボルタンメトリー
第5章はこの版の新章で、超微小電極上の可逆・準可逆・不可逆反応の定常応答を扱い、電極作製に関する実験ノートがつく。第6章はクロノアンペロメトリー、サンプリング過渡ボルタンメトリー、反転法、クロノクーロメトリーを扱う。第7章はネルンスト系・準可逆系・完全不可逆系のリニアスイープ法とサイクリックボルタンメトリー、高速サイクリックボルタンメトリー、畳み込み、液–液界面でのボルタンメトリーを扱う。
第8–12章：追加の方法
第8章 ポーラログラフィー、パルスボルタンメトリー、矩形波ボルタンメトリー。第9章 定電流法。第10章 強制対流を伴う方法—流体力学的方法（回転ディスク電極、リングディスク電極）。第11章 電気化学インピーダンス分光法と交流ボルタンメトリー。第12章 バルク電解（定電位法・定電流法、フロー電解、薄層電気化学、ストリッピング分析）。
第13–16章：発展的な基礎
第13章「均一系の化学反応が共役した電極反応」は、そうした反応を分類し、サイクリックボルタンメトリーなどでの挙動を概観する。第14章「電気二重層の構造と吸着」は、二重層の熱力学、モデル、反応速度への影響を扱う。第15章「内圏型電極反応と電極触媒作用」は新章で、計算による解析、電極触媒の相関、電気化学的相変化も扱う。第16章「電気化学計測」は、演算増幅器、ポテンショスタット、ガルバノスタット、微小電流の測定を扱う。
第17–21章：発展的な系と方法
第17章 電気活性層と修飾電極。第18章 走査型電気化学顕微鏡。第19章 単一粒子電気化学（新章）：粒子衝突実験、単一原子とクラスター、単一分子を扱う。第20章 光電気化学と電気化学発光。第21章 電気化学系のその場キャラクタリゼーション（顕微鏡法、水晶振動子マイクロバランス、紫外・可視、振動分光、X線の方法、質量分析、磁気共鳴）。
付録A–C
付録A：数学的方法（ラプラス変換、テイラー展開、誤差関数など）。付録B：シミュレーションの基本概念。付録C：参照表。
主要概念
第1–4章：基礎
- ファラデー過程と物質移動律速：電極上の電流を決める因子。
- バトラー–フォルマー速度論と電荷移動の微視的理論：電極反応速度のモデル。
- 泳動と拡散：物質移動の方程式とその解法。
第5–12章：方法
- ボルタンメトリー：定常法、スイープ法、ステップ法、パルス法。
- 流体力学的方法とインピーダンス法：強制対流、回転電極、インピーダンス分光法。
第13–21章：発展的な話題
- 共役する化学反応と電気二重層：電極応答を変える複雑な要因。
- 電極触媒作用と単一粒子電気化学：第3版で加わった話題。
- 修飾電極、走査プローブ、その場キャラクタリゼーション：表面や薄層への応用。
批判的分析
長所
- 明確な道筋。 著者は「中核」の章と「選択可能」な章の地図を示しており、読者はどの章が先行する章に依存し、どの章が順不同で読めるかが分かる。
- 自己完結的な展開。 出版社によれば、本書は大学レベルの化学・物理・数学の基礎をもつ読者が理解できるよう設計され、重要な考え方を基本原理から展開する。
- 大幅な更新。 Wiley は、改訂された導入章、超微小電極ボルタンメトリー、内圏型反応と電極触媒作用、単一粒子電気化学の新章、マーカス速度論の広範な扱い、より詳しい泳動の記述、拡充されたインピーダンス分光法を挙げている。
- 実践への橋渡し。 多くの章にある実験ノートは、概念から実践へ進む助けになり、付録Bは第5章以降で用いられるデジタルシミュレーションを紹介する。
短所
- 分量と数学の負担。 約1,100ページに加え、第5〜13章で多用される数学の付録があり、導出を丁寧にたどる読者ほど得るものが大きい。
- 文献サーベイがない。 著者は、第2版にあった詳細な文献の概観は削られ、参考資料、実験技術の書籍、総説シリーズの短い一覧に置き換えられたと述べている。
- 取捨選択が必要。 章のグループはほぼ独立しているため、1学期の講義では追加の章と発展的な章から選ぶ必要がある。
コースにおける位置づけ
分析化学のコースでは、本書は最も専門的な1冊である。Harvey の『Analytical Chemistry 2.1』は最初の分析化学の講義向けのオープンな教科書で、電気化学を話題の1つとして含む。Harris の『Quantitative Chemical Analysis』と短い『Exploring Chemical Analysis』は入門コースで古典的方法と機器分析を扱い、Rouessac 夫妻の『Chemical Analysis』は主要な方法の原理と装置を説明し、Skoog、Holler、Crouch の『Principles of Instrumental Analysis』は機器分析の標準的な教科書である。
Bard、Faulkner、White は、これらのどれよりも電気化学を深く掘り下げ、ボルタンメトリーやその関連手法の応答を決める熱力学、反応速度論、物質輸送を導出する。機器分析の講義のあと、あるいは電気化学的手法を用いる研究のために、次に進む本である。
本書の使い方
本書は、電気化学、物理化学、分析化学を受講する学部上級生や大学院生、また電気化学工学、エネルギー変換・貯蔵、センサーの分野の研究者を対象とする。
実践的な進め方は次のとおり。
- 核： 第1〜7章を順に。第5章の前に付録Aを復習する。
- 必要に応じた方法： 第8〜12章は個別に。たとえばパルス法は第8章、インピーダンスは第11章。
- 発展： 第17〜21章は一般に発展的な基礎の上に築かれているので、第13〜16章を先に。
- シミュレーションと参照： デジタルシミュレーションは付録B、問題で使う表は付録C。
章末問題を解き、実験を行うときは実験ノートを併せて読む。