第1章 化学の基本
1-1 自然科学における化学
- 1-1-1 化学は物質を対象とする学問である 例：スマホ筐体の材料選定（軽量合金／高分子／セラミックス）—性能・コスト・耐久性を“物質の性質”から決める。
- 1-1-2 自然科学における化学の位置 例：電池開発で、物理（電磁気）×化学（電極反応）×工学（熱設計）を統合して実機性能を最適化。
- 1-1-3 Micro と Macro 例：電子顕微鏡で見える微視的結晶欠陥（Micro）が、金属の強度や延性（Macro）を左右—不良原因解析に直結。
1-2 原子の構造確立の歴史
- 1-2-1 質量保存・定比例の法則 例：工場の配合設計で反応前後の質量バランスを取り、原料ロスや排出量を予測。
- 1-2-2 原子説 例：半導体のドーピング量（原子の個数密度）を制御してデバイス特性を作り込む。
- 1-2-3 分子説 例：香料ブレンド—分子の組合せと濃度で「香り」を再現・設計。
- 1-2-4 周期表 例：触媒元素の探索（遷移金属中心・近隣元素の置換）で活性や選択性を系統的に最適化。
- 1-2-5 原子の内部構造 例：X線吸収・発光スペクトルで“内殻電子”を解析し、材料の酸化状態や局所構造を評価。
1-3 化学式
- 1-3-1 物質の表し方 例：危険物ラベルやSDSで、成分を化学式・組成で表示しリスク管理。
- 1-3-2 化学式 例：CO と CO₂ をセンサーが判別—排ガスの安全管理や燃焼調整に反映。
1-4 化学反応式・イオン反応式
- 1-4-1 化学反応式 例：燃焼の理論空燃比（\mathrm{C_xH_y} + O_2 \to CO_2 + H_2O）計算でエンジンの燃焼最適化。
- 1-4-2 イオン反応式 例：水処理で硬度成分を沈殿除去（\mathrm{Ca^{2+}+CO_3^{2-}\to CaCO_3\downarrow}）—薬注量の設計。
1-5 化学で使われる量とその計算
- 1-5-1 比較量（相対量） 例：合金中の元素の質量％・原子％を使って機械特性を規格化。
- 1-5-2 原子・分子量にグラムをつけた量 例：試薬を“グラム原子・グラム分子”で秤量し、スケールアップ時も比率を保つ。
- 1-5-3 アボガドロ定数・mol・物質量 例：1 Lのガス中の分子数（\approx 2.5\times10^{22} 個）を見積り、センサー感度の設計に利用。
- 1-5-4 モル計算 例：プールの遊離塩素濃度を mg/L → mol に換算し、次亜塩素酸ナトリウムの適正薬注量を算定。
第2章 原子
2-1 原子の構造
- 2-1-1 原子の構成粒子 例：安定同位体トレーサーで食品の産地判別—核種比で流通経路を追跡。
- 2-1-2 電子殻の構造 例：ナトリウムランプの発光色（準位間遷移）—街路照明の色設計。
- 2-1-3 電子配置 例：遷移金属イオンのd電子配置から着色ガラス（\mathrm{Co^{2+}}青、\mathrm{Cr^{3+}}緑）を設計。
2-2 原子の性質の周期性
- 2-2-1 周期表 例：電気陰性度・原子半径の周期性を用いて、腐食しにくい合金元素を選定。
- 2-2-2 原子と電子の出入り 例：イオン化エネルギー・電子親和力を指標に、電池の正極・負極材料を決める。
第3章 結合
- 3-1 原子間の結合をもたらしているものは何か 例：静電相互作用（クーロン力）と共有電子対の理解で、接着剤の密着メカニズムを改良。
- 3-2 核・電子間に働くエネルギー 例：分光（UV/可視/IR）で遷移エネルギーを測り、分子構造や官能基を同定。
- 3-3 結合の分化 - 3-3-1 まず共有結合の本質にせまる 例：\mathrm{sp^2/sp^3}混成の違いから、ダイヤ（硬い）とグラファイト（導電）の物性差を説明。
- 3-3-2 共有結合から金属結合へ 例：金属結合（電子の自由度）が電気伝導・延性を生む—電線や圧延材の材料選択。
- 3-3-3 共有結合からイオン結合へ 例：食塩結晶の割れやすさ（すべり面で同符号が近づく）—加工・粉砕条件の最適化。
- 3-4 電気陰性度
- 3-4-1 電気陰性度の評価法 例：ポーリング尺度で結合の極性を見積り、防水コーティングの濡れ性を予測。
- 3-4-2 周期性 例：ハロゲン（高電気陰性度）を導入して難燃化ポリマーを設計。
- 3-4-3 電気陰性度と化学結合の関係の整理 例：\Delta\chi からイオン性寄与を推定し、溶解性・誘電率との相関で材料選定。
- 3-5 周期表での位置と化学結合
- 3-5-1 単体（A–A結合） 例：O₂（A–A）とO₃で反応性が違うことを利用し、オゾン漂白・滅菌を設計。
- 3-5-2 化合物（A–B結合） 例：H–Cl（共有性強）とNa–Cl（イオン性強）で溶け方・伝導性が異なる—電解質選択に応用。
第4章 物質の構造と性質
- 4-1 構造の一般的な見方
- 4-1-1 配位数 例：NaCl型（配位数6）かCsCl型（配位数8）で密度・硬さが変わり、セラミックス設計に影響。
- 4-1-2 構造の同一性 例：医薬品の多形（結晶形の同一性）管理—溶解性・効力の安定化に必須。
- 4-1-3 構造の最小単位 例：単位格子定数から熱膨張を見積り、精密部品のクリアランス設計。
- 4-2 金属結晶の構造と性質
- 4-2-1 構造を決める要因 例：充填効率・合金元素で相（FCC/BCC/HCP）が変わり、強度‐延性バランスを調整。
- 4-2-2 構造 例：オーステナイト（FCC）とマルテンサイト（BCT）の制御でステンレスの特性設計。
- 4-2-3 金属の性質 例：自由電子に由来する熱・電気伝導性を利用した放熱板・ヒートシンク。
- 4-3 イオン性結晶の構造と性質
- 4-3-1 構造を決める要因 例：半径比則で安定構造を予測し、固体電解質のイオン導電路を設計。
- 4-3-2 構造 例：岩塩型／螺鈿…（例：\mathrm{MgO}, \mathrm{CaF_2}）の選択で耐熱・耐食性を調整。
- 4-3-3 イオン結晶の性質 例：脆性・高融点・電解質としての性質を利用し、セラミック絶縁体を設計。
- 4-3-4 イオン結晶中の共有結合性 例：\mathrm{AgCl} などの分極性が光学特性に影響—感光材料の基礎。
- 4-4 共有結合による物質の構造と性質
- 4-4-1 構造を決める要因 例：混成軌道・結合角（VSEPR）で高分子の剛直性を設計。
- 4-4-2 構造 例：ダイヤモンド（3Dネットワーク）／グラファイト（層状）—切削工具と潤滑材に使い分け。
- 4-4-3 分子性物質の性質 例：ドライアイスやナフタレンの昇華—凍結輸送や防虫剤。
- 4-5 水素結合による物質の構造と性質
- 4-5-1 水素結合とは 例：DNA二重らせんの塩基対水素結合—PCRの設計根拠。
- 4-5-2 水の体積変化と水素結合 例：4℃で密度最大—水配管の凍結対策設計。
- 4-5-3 沸点と水素結合 例：HF・H₂Oの高沸点—溶媒選択や蒸留条件の設定。
- 4-5-4 酸性度と水素結合 例：カルボン酸の二量化が見かけの酸強度や揮発性に影響—香料配合で考慮。
- 4-5-5 水素結合の例 例：セルロース繊維の強度・吸湿性—衣料の機能設計。
- 4-6 物質の構造と性質（まとめ） 例：要求特性（強度・耐熱・電導・透明性）から結晶・分子・結合を逆算して材料選定。
第5章 物質の状態
- 5-1 物質の三態
- 5-1-1 状態を決める因子 例：真空凍結乾燥—圧力・温度制御で水を昇華させ食品を乾燥。
- 5-1-2 状態図 例：はんだ合金（Sn–Pb など）の相図で溶融・凝固温度を設計。
- 5-2 気体の法則
- 5-2-1 気体とは何か 例：スキューバタンクの残圧から呼吸可能時間を見積もる。
- 5-2-2 気体の法則の歴史 例：シリンジ内の圧縮実験（ボイルの法則）で医療機器の動作確認。
- 5-2-3 理想気体の法則の使い方 例：バルーン充填量を PV=nRT で計算し、流出迅速見積り。
- 5-2-4 実在気体と理想気体 例：高圧ガス配管での補正（van der Waals 係数）—安全弁設定。
- 5-3 状態変化
- 5-3-1 一種類の物質のみが容器に入っているとき 例：水の加熱曲線から蒸気発生の熱需要を見積もり、ボイラ容量を決める。
- 5-3-2 混合物が容器に入っているとき 例：エタノール–水の共沸を考慮した蒸留プロセス設計。
- 5-4 蒸気圧
- 5-4-1 平衡ではなぜ気相の圧力が1つの値しかとらないのか 例：圧力鍋で水が一定温度以上に上がる仕組みを説明し、調理時間を設定。
- 5-4-2 蒸気圧と系内で起こることの判定 例：塗装の乾燥条件—溶剤の蒸気圧から換気量と乾燥時間を計算。
- 5-4-3 具体例 例：香水の揮発プロファイルを蒸気圧差で設計（トップ／ミドル／ベースノート）。
- 5-5 溶液
- 5-5-1 溶解の可否 例：油汚れに有機溶媒、無極性汚れに界面活性剤—「似たもの同士は溶ける」。
- 5-5-2 濃度 例：水質管理で \mathrm{ppm}、\mathrm{mg/L}、モル濃度を使い分けて薬注を設計。
- 5-5-3 溶質の平衡…溶解平衡 例：ボイラーのスケール（\mathrm{CaCO_3}）—溶解度積から析出リスクを予測。
- 5-5-4 溶媒の二相間平衡…溶液の性質 例：溶媒抽出（有機相／水相）で金属イオンを分離・回収。
- 5-6 コロイド溶液
- 5-6-1 微粒子が分散する理由 例：塗料やインクでブラウン運動・帯電による安定化を設計。
- 5-6-2 コロイド粒子を構成する物質 例：金ナノ粒子の色（表面プラズモン）を利用したバイオセンサー。
- 5-6-3 コロイド粒子の合体を妨害する要因 例：乳化食品で界面活性剤が凝集を防ぎ、保存安定性を向上。
- 5-6-4 コロイド溶液の性質 例：チンダル現象で混濁を評価し、清澄化工程の指標に。
- 5-6-5 コロイド粒子の析出 例：下水処理で凝集剤（PAC等）を用いたフロック形成・沈降処理。
- 5-6-6 界面現象 例：洗剤の濡れ性・界面張力低下を利用した洗浄プロセス設計。
第6章 基本的な化学反応
1. 酸、塩基と中和反応
- 酸、塩基、塩の定義 #現実世界の実践例: 食酢（酢酸）や重曹（炭酸水素ナトリウム）の酸・塩基性を利用した家庭掃除。
- 酸、塩基の強さの評価方法 #現実世界の実践例: 洗剤や胃薬のpH調整による安全性と効果の最適化。
- 中和反応 #現実世界の実践例: 酸性土壌の石灰散布による中和と農業生産性の改善。
- [H⁺]を計算で求める方法 #現実世界の実践例: 工場廃水の酸性度を測定し、排水基準を満たすための処理計算。
- 中和滴定 #現実世界の実践例: 食品分析における酸味や塩分濃度の定量。
2. 酸化還元反応
- 酸化・還元の定義 #現実世界の実践例: 鉄の錆び防止やメッキ処理の理解。
- 酸化数の定め方 #現実世界の実践例: 化学肥料中の窒素酸化物の種類判定。
- 還元剤と酸化剤 #現実世界の実践例: 漂白剤（酸化剤）や抗酸化物質（還元剤）の食品保存利用。
- 酸化還元反応式 #現実世界の実践例: 燃料電池の反応式設計と効率計算。
- 酸化還元滴定 #現実世界の実践例: 水道水中の残留塩素濃度の測定。
3. 沈殿生成反応
- 沈殿が生じる条件 #現実世界の実践例: 水質浄化でのカルシウム沈殿除去。
- 溶解度積やpHで沈殿条件が変わる理由 #現実世界の実践例: 医療検査での尿中結晶形成の判定。
- 沈殿する陰・陽イオンの組み合わせ #現実世界の実践例: 有害金属の沈殿除去処理。
- 沈殿反応式の組み立て方 #現実世界の実践例: 鉱業での鉱石精製プロセスの計画。
4. 錯イオン生成反応
- 錯イオンの生成理由 #現実世界の実践例: 洗浄剤中のキレート剤による金属イオン除去。
- 配位子の例 #現実世界の実践例: 医薬品（EDTA）による重金属中毒の治療。
- 配位数と錯イオンの形 #現実世界の実践例: 触媒設計における錯体構造の制御。
- 代表的な配位子と金属イオン #現実世界の実践例: 錆防止塗料に含まれる錯体化合物。
- 水溶液中での錯イオン生成の考え方 #現実世界の実践例: 銀メッキ・金メッキ液の設計。
- 錯化合物の色の原因 #現実世界の実践例: 宝石や顔料の発色メカニズム。
第7章 無機化学反応の系統的理解のために
0. 無機化学反応の学習の仕方
#現実世界の実践例: 化学工場での反応ルート設計。
1. 無機物質の基本分類とその反応
- 基本的分類法 #現実世界の実践例: 廃棄物の化学的分類によるリサイクル効率化。
- 単体の反応 #現実世界の実践例: アルミ製品の防錆処理。
- 酸性物質・塩基性物質 #現実世界の実践例: セメント硬化の酸・塩基反応利用。
- 各物質間の基本的変換関係 #現実世界の実践例: 工業的アンモニア合成（ハーバー・ボッシュ法）。
2. 基本的な化学反応
- 中和反応 #現実世界の実践例: 廃酸処理における中和計算。
- 沈殿生成反応 #現実世界の実践例: 工業排水からの重金属除去。
- 錯イオン生成反応 #現実世界の実践例: めっき液の調整。
- 酸化還元反応 #現実世界の実践例: バッテリー反応の理解と性能向上。
3. 反応の進む理由を考える
- 分解反応 #現実世界の実践例: 炭酸水素ナトリウムの加熱による膨張剤作用（パン作り）。
- 平衡移動 #現実世界の実践例: アンモニア合成における圧力・温度制御による収率向上。
- まとめ #現実世界の実践例: 化学プロセスの最適化。
- 酸塩基・酸化還元の強さと反応予測 #現実世界の実践例: 製造工程での原料選定。
4. 応用
- 気体の生成反応 #現実世界の実践例: 酸素発生装置の設計。
- 気体検出法 #現実世界の実践例: 工場のガス漏れ検知。
- 両性元素の反応 #現実世界の実践例: アルミや亜鉛の耐食性向上。
- 陽イオン分析 #現実世界の実践例: 水質検査での金属イオン検出。
- 陰イオン検出 #現実世界の実践例: 環境水中の硝酸イオン・塩化物イオン測定。
第8章 化学反応の理論
- 熱化学 ① 化学反応で熱が出入りするのはなぜか #現実世界の実践例: 発電所での燃料燃焼による熱エネルギー利用 ② 熱化学方程式の意味すること #現実世界の実践例: 工場での反応熱の計算による熱管理 ③ 熱化学方程式の書き方 #現実世界の実践例: 製造プロセスの熱収支シミュレーション ④ エネルギー保存則とヘスの法則の関係 #現実世界の実践例: 複数経路を経る化学反応のエネルギー推定 ⑤ 結合エネルギーと反応熱 #現実世界の実践例: 新燃料の燃焼効率評価 ⑥ 熱化学計算の解法 #現実世界の実践例: バッテリー反応の熱発生量計算
- エネルギーと乱雑さ ① 自発的に起こる変化 #現実世界の実践例: 氷が自然に溶ける現象の理解 ② 発熱反応はなぜ起こりやすいのか #現実世界の実践例: 鉄の錆びによる発熱 ③ では、吸熱反応は起こらないのか #現実世界の実践例: 瞬間冷却材の使用 ④ 「乱雑さ」を増加させる要因 #現実世界の実践例: 香水の香りが部屋中に広がる現象 ⑤ 少し定量的に考えよう #現実世界の実践例: 冷蔵庫内での熱移動計算 ⑥ 具体例 #現実世界の実践例: 気体膨張によるエネルギー変化の分析
- 反応速度 ① 速度に影響を与える因子 #現実世界の実践例: 錆びやすさと湿度・温度の関係 ② 速度を大きくするためにはどうすればよいか #現実世界の実践例: 圧力鍋での調理時間短縮 ③ 反応速度の定義と求め方 #現実世界の実践例: 医薬品の分解速度測定 ④ 支配因子を使った速度の表現 #現実世界の実践例: 自動車触媒の反応効率評価 ⑤ 多段階反応と律速段階 #現実世界の実践例: 石油精製プロセスの速度制御
- 化学平衡 ① 化学平衡とは #現実世界の実践例: ソーダ水中の炭酸ガス平衡 ② 化学平衡（質量作用）の法則 #現実世界の実践例: アンモニア合成（ハーバー・ボッシュ法） ③ 平衡移動の法則 #現実世界の実践例: 温度・圧力による化学反応の収率調整 ④ 化学平衡（質量作用）の法則と平衡移動の法則 #現実世界の実践例: 工場での反応条件最適化
第9章 化学反応の利用
- 電気化学 ① 電池の原理 #現実世界の実践例: スマートフォンのリチウムイオン電池 ② いろいろな電池 #現実世界の実践例: ハイブリッドカーのニッケル水素電池 ③ 電池の起電力 #現実世界の実践例: ボタン電池の寿命試験 ④ 電気分解 #現実世界の実践例: アルミニウム精錬（ホール・エルー法） ⑤ 電池、電気分解での物質の変化量と電気量 #現実世界の実践例: メッキ加工の電流計算
- 無機工業化学 ① 酸、塩基、Na₂CO₃の生産 #現実世界の実践例: ソーダ工業での炭酸ナトリウム製造 ② 金属の生産 #現実世界の実践例: 製鉄所での鉄鋼製造
第10章 無機物質
- 系統の基標軸 #現実世界の実践例: 元素周期表を使った新合金開発
- 金属元素 ① 1族（Li, Na, K, Rb, Cs, Fr） #現実世界の実践例: ナトリウムランプの照明 ② 2族（Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra） #現実世界の実践例: カルシウム補強材の利用 ③ Cr #現実世界の実践例: ステンレス鋼の防錆コーティング ④ Mn #現実世界の実践例: 乾電池の二酸化マンガン ⑤ Fe #現実世界の実践例: 建築用鉄骨 ⑥ Co, Ni #現実世界の実践例: 磁石の製造 ⑦ Cu #現実世界の実践例: 電線の導体 ⑧ Ag, Au #現実世界の実践例: 金メッキ装飾品 ⑨ Zn #現実世界の実践例: 亜鉛メッキによる防錆 ⑩ Cd, Hg #現実世界の実践例: 水銀温度計（使用は現在制限あり） ⑪ Al #現実世界の実践例: 飛行機の軽量構造材 ⑫ Sn, Pb #現実世界の実践例: はんだ付け材料
- 非金属元素 ⑬ H #現実世界の実践例: 燃料電池用水素 ⑭ B #現実世界の実践例: ホウケイ酸ガラス ⑮ C #現実世界の実践例: 炭素繊維強化プラスチック ⑯ Si #現実世界の実践例: 太陽電池のシリコンパネル ⑰ N #現実世界の実践例: 液体窒素の冷却利用 ⑱ O #現実世界の実践例: 医療用酸素ボンベ ⑲ Cl #現実世界の実践例: 水道水の殺菌処理 ⑳ F #現実世界の実践例: フッ素樹脂（テフロン）コーティング
第11章 有機化学
- 学習の方針 #現実世界の実践例: 有機化学知識を医薬品設計に応用
- 方針1: 有機化合物の構造1-1. 原子のつながり方と有機化合物の分類 ① CとCとのつながり方 #現実世界の実践例: ダイヤモンドとグラファイトの構造比較 ② Cと他原子とのつながり方 #現実世界の実践例: エタノールの構造理解
- 異性体2-0. 異性体の分類 #現実世界の実践例: ブドウ糖と果糖の構造異性
2-1. 構造異性体
① 炭素骨格の区別 #現実世界の実践例: 直鎖と分岐鎖アルカンの比較
② 元素数の決定 #現実世界の実践例: 質量分析による分子式推定
③ Oを含む異性体 #現実世界の実践例: メタノールとエタノールの比較
④ ベンゼンの置換体 #現実世界の実践例: トルエンとキシレンの利用例
⑤ メチル、ナフタレンの置換基の位置による異性体 #現実世界の実践例: 香料合成における構造差の利用
⑥ その他 #現実世界の実践例: 医薬品の光学異性体活性の違い
第12章 天然有機化合物
- 天然有機化合物の学び方 …208 #現実世界の実践例：食品パッケージの成分表示から糖質・タンパク質・脂質を読み取る
- 糖類（炭水化物） …209 #現実世界の実践例：デンプンのヨウ素デンプン反応を使ったご飯の品質確認
- α‐アミノ酸、ペプチド、タンパク質 …220 #現実世界の実践例：スポーツドリンクの必須アミノ酸配合を分析して摂取計画を立てる
- 脂質 …230 #現実世界の実践例：マーガリン製造における油脂の水素添加工程
- 核酸 …236 #現実世界の実践例：PCR検査によるウイルス遺伝子の増幅と検出
第13章 合成高分子化合物、染料、医薬品
- 合成高分子化合物 …247 #現実世界の実践例：ペットボトル（PET樹脂）のリサイクル工程
- 染料 …260 #現実世界の実践例：藍染めジーンズの染色と色落ち防止加工
- 医薬品 …262 #現実世界の実践例：抗生物質の構造改変による耐性菌対策薬の開発
第14章 実験操作法
…265
- 基本操作 #現実世界の実践例：水道水の水質検査でのピペット操作
- 滴定操作 #現実世界の実践例：酢の酸度を中和滴定で測定する食品分析
- 気体の発生 #現実世界の実践例：炭酸飲料製造でのCO₂ガス発生と溶解工程
- 有機物の合成実験 #現実世界の実践例：香料（エステル）の合成による人工香料製造
第15章 命名法
- 無機物質 …274 #現実世界の実践例：化学薬品ラベルでの無機化合物の国際的名称（IUPAC名）確認
- 有機化合物 …279 #現実世界の実践例：医薬品特許での有機化合物命名による成分特定
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