化学・生物科学のための物理化学

引用

Chang, R. (2000). Physical Chemistry for the Chemical and Biological Sciences. University Science Books.

章の要約

本書は 23 章からなり、ほかに 2 つの付録（数学と物理の復習、熱力学データ）、用語集、偶数番号の計算問題の解答が付く。各章末には問題があり、出版社によれば各章に主要な式の一覧もある。配列は伝統的で、気体、熱力学、溶液と平衡、速度論、量子力学と化学結合、分光学、そして凝縮相と統計熱力学の順に進む。生物学の話題は巻末にまとめられず、化学の各章の中に組み込まれている。

第 1–3 章：序論、気体の法則、気体分子運動論

最初の章では、物理化学の性格、単位、力、圧力、エネルギー、モルを扱い、続いてボイルの法則から理想気体の状態方程式までの気体の法則、実在気体、ファン・デル・ワールス式とビリアル式、気体の凝縮と臨界状態を扱う。第 3 章は分子運動のモデル、マクスウェル分布、衝突と平均自由行程、粘性、拡散と流出、エネルギー等分配を築き、付録で全微分と偏微分を復習する。

第 4–6 章：熱力学第一法則、熱力学第二法則、ギブズエネルギーとヘルムホルツエネルギーおよびその応用

第 4 章は仕事、熱、エンタルピー、熱容量、等温膨張と断熱膨張、結合エンタルピーを含む熱化学を扱う。第 5 章は自発過程、統計的および熱力学的なエントロピー、カルノー機関、エントロピー変化、第三法則へと進む。第 6 章はヘルムホルツエネルギーとギブズエネルギー、その温度・圧力依存性、相平衡、クラペイロンの式、状態図、相律、ゴム弾性の熱力学を導入する。

第 7–9 章：非電解質溶液、電解質溶液、化学平衡

第 7 章は濃度の単位、部分モル量、混合、束一的性質、二成分系の相平衡を扱う。第 8 章は溶液中の伝導、イオンの活量、デバイ・ヒュッケル理論、ドナン効果、生体膜と膜輸送に移る。第 9 章は気体と溶液中の平衡に続いて、高分子への配位子結合、平衡透析、ATP・共役反応・解糖系を扱う生体エネルギー論の節を置く。

第 10–11 章：電気化学、酸と塩基

第 10 章は電池、ネルンストの式、電極の種類、濃淡電池と燃料電池、続いて生物学的酸化、化学浸透説、膜電位、ゴールドマンの式、活動電位を扱う。第 11 章は酸塩基の定義、滴定と指示薬、アミノ酸と等電点、緩衝液、血液の pH の維持を扱う。

第 12–13 章：化学反応速度論、酵素反応速度論

第 12 章は反応速度と反応次数、分子度、複雑な反応、アレニウスの式、衝突理論と遷移状態理論、溶液中の速い反応、振動反応を展開する。第 13 章はこれを触媒作用に応用し、ミカエリス・メンテン速度論と定常状態速度論、キモトリプシンの事例、多基質系、阻害、アロステリック相互作用、ヒルの式、ミオグロビンとヘモグロビンへの酸素結合を扱う。

第 14–16 章：量子力学と原子構造、化学結合、分子間力

第 14 章はプランクの量子論と光電効果から、シュレーディンガー方程式、一次元の箱の中の粒子、トンネル効果、水素原子、多電子原子へ進む。第 15 章はルイス構造、原子価結合法と分子軌道法、共鳴、ペプチド結合、配位化合物を扱う。第 16 章は分子間力の種類、水素結合、水と氷の構造、疎水性相互作用を扱う。

第 17–19 章：分光学、分子の対称性と旋光性、光化学と光生物学

第 17 章は分光学の基本用語とランベルト・ベールの法則、続いてマイクロ波、赤外、電子、NMR、ESR の各分光法、蛍光とレーザーを扱う。第 18 章は対称要素、旋光、円二色性を導入する。第 19 章は量子収率、大気の光化学（スモッグ、オゾン）、光合成、視覚、放射線の生物学的影響を扱う。

第 20–23 章：固体、液体、高分子、統計熱力学

第 20 章と第 21 章は結晶系と X 線回折、続いて液体の構造、粘性、表面張力、拡散、液晶を扱う。第 22 章は高分子の大きさと形を決める方法、ポリマーの構造、タンパク質と DNA の構造、タンパク質の安定性とフォールディングを論じる。第 23 章は微視的状態、ボルツマン分布、分配関数で締めくくり、熱力学量、化学平衡、遷移状態理論への応用を示す。

主要概念

第 1–6 章：気体と熱力学

• 状態方程式：理想気体の式を、実在気体のためにファン・デル・ワールス式とビリアル式で拡張したもの。
• エントロピー：統計的・熱力学的の両面から定義され、第二法則・第三法則と結び付けられる。
• ギブズエネルギー：その温度・圧力依存性が相平衡と相律の土台になる量。

第 7–11 章：溶液、平衡、電気化学、酸と塩基

• 部分モル量：混合の熱力学と束一的性質の基礎。
• ドナン効果と膜電位：生体膜を横切るイオンの扱いで、ゴールドマンの式と活動電位に関わる。
• 共役反応：ATP が本来不利な過程を駆動する仕組みで、第 9 章の生体エネルギー論の節で扱われる。

第 12–13 章：速度論

• アレニウスの式と遷移状態理論：反応速度の温度依存性と分子レベルの理論。
• ミカエリス・メンテン速度論：酵素触媒の定常状態による扱いで、阻害とアロステリーにも拡張される。

第 14–19 章：量子論、化学結合、分光学

• シュレーディンガー方程式：箱の中の粒子で導入され、水素原子に適用される。
• 分子軌道法と原子価結合法：二つの結合の記述で、ペプチド結合など生物学的な例にも用いられる。
• ランベルト・ベールの法則：分光学の章での吸収測定の定量的基礎。

第 20–23 章：凝縮相と統計熱力学

• ブラッグの式：X 線による構造決定の根拠となる関係。
• 分配関数：分子のエネルギー準位と巨視的な熱力学量を結ぶもの。

批判的分析

長所

• 目次を見ると、生物学が標準的な配列の中に組み込まれている。平衡の章の配位子結合と解糖系、電気化学の膜電位、酸と塩基のアミノ酸と血液の緩衝作用、酵素反応速度論のキモトリプシンとヘモグロビン、そして光化学と光生物学の独立した章である。
• 出版社は、本文中の例題、章末の約 1,000 問、各章の主要な式の一覧、用語集、偶数番号の計算問題の解答を挙げており、別に問題の解答集がある。
• 出版社が引用する書評は、生命科学の学生を「彼らのいる地点で」迎えると評し（Journal of Chemical Education、2001 年）、事前の査読者は穏やかな物理化学の教科書と呼んでいる。
• 統計熱力学や高分子まで含み、通年の授業を支えられる広さがあるため、一冊で一連の流れをたどれる。

短所

• 約 1,000 ページあり、1 学期の授業には長いので、教員は章を選ぶ必要がある。
• 量子力学は 1 章（第 14 章）で導入され、その後に化学結合と分光学が続く。量子化学をさらに深く学ぶ必要がある学生には、より数学的な教科書が要る。

コースにおける位置づけ

本サイトの物理化学の書目の中で、本書は生物学志向の、分量の十分な学部向け教科書である。アトキンスの『物理化学』（Very Short Introduction）とモンクの 1 年次向け教科書は、より軽く、あるいは早く始めたい読者に向く。アトキンス、デ・パウラ、キーラーの『Physical Chemistry』は化学専攻向けのより本格的な総合教科書で、マッカーリとサイモンの『Molecular Thermodynamics』はより高度な統計的扱いである。チャンの本はその中間にあり、入門書より完全で、専攻向け教科書より要求が軽く、生物学的応用に特色がある。

本書の使い方

化学、生化学、生命科学の学生が 1〜2 学期の 3 年次物理化学を履修する場合や、医学部進学課程の学生に向く。付録 A の数学と物理の復習は、微積分に自信がない読者の最初の拠点になる。

最初は第 1–13 章を順に読む。気体、三つの法則、自由エネルギー、溶液、平衡、電気化学、酸と塩基、速度論で、これが中核である。第 14–19 章は量子、化学結合、分光学の流れで、別の学期に回せる。第 20–23 章（固体と液体、高分子、統計熱力学）は、授業に応じて選ぶ拡張とするのがよい。

章末問題を解き、巻末の偶数番号の解答で確かめ、各章の主要な式の一覧を復習用のリストとして使う。導出が簡略すぎると感じたら、同じコースのより厳密な教科書で補う。