ビッグバンから生命誕生まで ● 万物は物質からできている ● 物質はどうしてできたのか? すべては ビッグバン から 1.

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1 ビッグバンから生命誕生まで ● 万物は物質からできている ● 物質はどうしてできたのか? すべては ビッグバン から 1

2 物質の誕生 ●ビッグバン(大爆発): 138億年前; 全ての始まり; 数百兆℃; 光子だけ
●ビッグバン(大爆発): 138億年前; 全ての始まり;  数百兆℃; 光子だけ ●3分後: 陽子(H+ )、中性子、電子の誕生 ;  10 億℃ ●十数分後まで: 重水素とヘリウムの原子核の生成; 1億℃ ● H、He の核融合(百万℃以上) → C、 N、O  ガス雲 → 星 ● C、N、O の核融合(6-30 億℃) → Na, Mg, Al, Si, Fe (星の爆発? ブラックホールの衝突) 光 → 電子、陽子、中性子 → 水素原子 → He → やや重い原子 (→ 重い原子) 2

3 物質の誕生(2) ● 鉄( 核エネルギーが最少; 最も安定)
● 鉄( 核エネルギーが最少; 最も安定)           ● 鉄より重い元素(コバルト~ウラン):  超新星元素合成(Fe +中性子; 中性子数が多いと原子核のβ崩壊(電子放出)で原子番号が上がる)(ブラックホールの衝突説) 不安定 水素爆弾: 水素原子の核融合 原子核のエネルギー 核融合 不安定 核分裂 もっとも安定 原子爆弾: ウラン核分裂 安定 原子の大きさ 3

4 宇宙の歴史 宇宙背景放射: 宇宙初期の光がマイクロ波として地球に届く 現在の宇宙は密度、温度がほぼ均一: 「インフレーション理論」で説明可?
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5 宇宙の95%は正体不明 2013年3月 ヒッグス粒子(質量の根源)を確認。通常の物質(標準理論の17種類の素粒子、全て発見済)は宇宙の5%。残りは暗黒物質等。通常の物質だけだと、太陽系、銀河系は分解していた? 5 5

6 宇宙の構成比 星、星間ガスなど望遠鏡で見えるもの: 約 5% 暗黒物質(重さで光を曲げる⇨分布が分かる): 約 27%
暗黒物質(重さで光を曲げる⇨分布が分かる): 約 27% 暗黒エネルギー(斥力の原因、 70億年前に大きくなった): 約 68% 「加速膨張」(宇宙の膨張速度が加速しつつある)は暗黒エネルギーのせい? 6

7 太陽系の誕生 ●「ビッグバン宇宙論」の根拠 (1) 宇宙が外側ほど速く膨張 (空間の発生) (2) 宇宙空間から電波 (3) H:He= 3:1(ビッグバンの理論値) ●元素の存在比: H  86%、 He 13.7%、その他 0.3% ●太陽系の誕生: ビッグバンの百億年後(46億年前) ●水星、金星、地球、火星: 質量小(弱い引力) ⇒ H2 と Heの喪失 ⇒ 二酸化ケイ素と鉄が主成分 ●水星: 水も喪失 ●金星: CO2 が多く気温が 470℃ ⇒ 水は気体 ●地球: CO2 減少(下式) ⇒ 水の惑星 ⇒ 海での生命の誕生  H2O(液体)+ CO2 + Ca2+ → CaCO3 + 2 H+ ●火星: 水も喪失? 7

8 金星と地球の比較 地球 金星 太陽からの距離 1億5千万 キロ 1億8千万 キロ 直径 1万3千 キロ 1万2千 キロ 公転周期 365 日
225 日 平均表面温度 15 ℃ 460 ℃ 表面の気圧 90 気圧 1 気圧 大気の成分 窒素 78% 二酸化炭素 96% 酸素 21% 窒素 3% 8

9 物質研究の歴史 ● 化学: エジプト ⇒ ギリシャ ⇒ アラビア ⇒ ヨーロッパ
● ギリシャ人の元素観 一元素説(タレス:万物は水から形成 、他に土、空気、火)    ⇒ 四元素説(エンペドクレス) ⇒ アリストテレス: 四元素+第五元素 ⇒錬金術 ⇒ 化学、薬学 ● 第五元素(元素変換の媒体) → 賢者の石(哲学者の石) ● ギリシャ人の実験観 ● 賢者の粉: 銅貨 ⇒ 銀貨 ⇒ 金貨 (実験) ● 19 世紀:科学の世紀  ← 18世紀:哲学の世紀 ● 近代科学の属性:  ① 実証性(経験、実験の尊重) ② 論理性(合理的思考) 9

10 水の惑星の条件 ● 液体の水の存在: 地表の平均気温が 0~30℃
● 液体の水の存在: 地表の平均気温が 0~30℃ ● 大気の主成分が 水素、ヘリウム以外 (宇宙の構成要素: H 86% He 13.7% その他 0.3% ) ● 体重当りの水: 年齢と共に減少 ● 幼児: 80%  成人: 70%  高齢者: 70%以下 ● 55%(成人女性)~ 60%(成人男性) ● 脂肪を除と、共に約 70% 10

11 人の体液と海水の組成 ● 組成が類似 ⇒ 生命体は海で生まれた! 11

12 環境問題としての水 ● 地上の水 海水 液体の淡水 河川水 固体の淡水(氷) 97.5 0.3 0.01 2.2 (%)
● 地上の水 海水   液体の淡水  河川水  固体の淡水(氷) (%) ● 日本: 食糧の60%を輸入 ⇒ 640 億トン/年の水(仮想水)を輸入と同等 日本の総水資源使用量(900億トン/年)の 2/3 ● 生産に必要な水: 小麦: 2000 ℓ/kg 米: 3600 ℓ/kg 牛肉 2万ℓ/kg ● 国内の農業用水は 570 億トン/年 ●日本人の生活用水=137m2/年・人 : 英国、中国の4倍 ● 世界での水不足 ⇒ 日本での食料不足 12

13 仮想水の輸入量(億m3/年) 2000年度 食糧需給統計

14 水の存在場所 水の利用形態: 農業用水 7割; 工業用水 2割; 生活用水 1割 国交省 08 14

15 世界の小麦・米の生産量/1人 1985年以降、増えていない。 15

16 世界の耕地面積と穀物反収 1980以降は耕地面積が減少: 灌漑用水不足のため 16

17 世界の小麦・米の生産量 農耕地は将来も増えない? 農水省 17

18 水不足(高水ストレス)の地域 中国科学院 18

19 増大する水ストレス 19 19

20 過剰揚水の国、断流など河川・地域 20

21 安全な飲み水を得られる人の割合 雨量だけでなく、衛生施設の整備状況にもよる 世界保健機構 2000 21

22 世界の穀物消費量と在庫率 人口増、肉類消費量の増加により、穀物在庫率は減少傾向 米農務省 22

23 急増する水需要 水利用の7割は農業。平均滞留時間: 河川水 十数日、 地下水 830年 23

24 世界の水需要の増加 水利用をめぐる争いが増加(インダス川、メコン川、ナイル川、中央アジアの川など) UNESCO 24

25 世界の水使用量 予測量を実現できるのか? ユネスコ 25

26 1人当たりの水資源量の減少 21世紀の紛争は水をめぐるものになる? 26

27 1人、1日当たりの水資源消費量 FAO 2010 27 27

28 水不足の進行 水不足に直面する人の割合 世界人口 28 28

29 主要国の食料自給率(2002、カロリーベース) 日本の穀物自給率= 28%; 173カ国中で124番目 29

30 将来の食料事情 三菱UFJ投信 30

31 生産に必要な穀物量/ 1 kg 肉類を生産するには多量の穀物が必要。 31

32 結合の種類結合エネルギー 結合の種類 結合エネル 方向性 ずれに 物質例 ギー (kJ/mol) イオン結合 764 なし 弱い 食塩
結合の種類 結合エネル 方向性 ずれに 物質例 ギー (kJ/mol) イオン結合 なし 弱い 食塩 共有結合 あり 弱い ダイヤモンド 金属結合 なし 強い 鉄 水素結合 あり 弱い 氷 ファンデル ワールス力 4 なし 弱い ドライアイス ● 結合エネルギーが大きいことは、強度が高いことの必要条件 ● 方向性がある結合は、ずらすと切断される。 ● イオン結合結晶と金属については、後のスライド。 32

33 強い結合 ● イオン結合: Na+ Cl-(結合に方向性なし、 ずれに弱い)
● 共有結合: 水素分子 (H-H)、酸素分子(O=O) (結合に方向性)       (量子力学によって説明される もの)       (1928年: H2に波動方程式を適用) ● 金属結合 : (結合に方向性なし) 33

34 共有結合 (H-H) のモデル図             全体として引力 e- Ha Hb+ 反発力 34

35 +に帯電している金属イオンがーに帯電している電子と静電引力で引き合っている。
金属結合 +に帯電している金属イオンがーに帯電している電子と静電引力で引き合っている。 静電引力 自由電子 引力 金属イオン 35

36 金属結晶とイオン結晶に力を加えた場合 強い 壊れにくい 加工しやすい 金属結晶 イオン結晶 36

37 水分子の特色 ① 水素結合を作る。  ② 分極している (分子内に電気的に+の部分とーの部分とがある) 37

38 電気陰性度 元素 電気陰性度 (原子が電子を引き付ける力の指数) 38

39 水分子の分極(電子の偏り) ー + 分子全体の電荷 電気陰性度= 2.1 電気陰性度=3.5 非共有電子対: 結合を形成していない電子対
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40 弱い結合 ● 水素結合: H-O … H-O | | H H ● O、H、O の3原子が一直線上にある
            |      |             H      H ● O、H、O の3原子が一直線上にある ● O は δ- に H は δ+ に帯電 (δ+ の H は H+ ( 内部に電子がない)に類似 ⇒ 水素結合をつくる。) ● ファンデルワールス力: 分子間の引力 δ+  δー 40

41 水分子の水素結合 www.thuisexperimenteren.nl /verdamping.htm
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42 凍ると体積が増える 水の性質 (1) ● 凍ると体積が増える →氷は水に浮かぶ、水中生物に好都合、風化作用
凍ると体積が増える 水の性質 (1) ● 凍ると体積が増える →氷は水に浮かぶ、水中生物に好都合、風化作用 ● 水素結合の割合:  氷 100% 液体の水 50% 水蒸気 0% ● 水素結合している水: ● O-H ・・・O が一直線 ⇒ 規則性が高くすき間が大きい 42

43 体積 VS 温度 密度最大 凍ると体積 が増える 43

44 水による風化作用 岩石 入口の氷が水を閉じ込める これが凍ると体積が増える 44

45 氷の結晶構造 H2O (10 ml) + CH3CH2OH ( 5 ml) → 14.6 ml 水 エタノール 15 ml ではない
炭化水素基が隙間に入る H2O (10 ml) + CH3CH2OH ( 5 ml) → 14.6 ml  水   エタノール ml ではない 45

46 メタンハイドレートの結晶構造 氷状の固体物質(理論化学式:CH4 ・5.75 H2O) 1m3のメタンハイドレートからメタン 172m3(1気圧、0℃)が得られる。 46

47 日本付近のメタンハイドレートの分布 産業技術研究所 メタンハイドレート:メタンと水の包接化合物;燃える氷 47

48 日本近海のメタンハイドレートの分布 石油天然ガス・金属鉱物資源機構(2000) 48

49 復氷現象 ルシャトリエの法則 スケートはなぜ滑るのか 糸の上部: 圧力が低く凍りやすい 糸の下部: 圧力が高く融けやすい
「自然は変化を嫌う」: なるべく変化が起こらないように平衡が移動する) スケートはなぜ滑るのか 49

50 最大密度がある 水の性質(2) 密度最大 通常の物質は、温度が高いほど体積が大きい。 水が表面から凍るのを助ける 50

51 最大密度がある理由 水の体積 4℃ 縦方向の水温分布へ影響。 表面から凍りやすい。 熱運動による傾向 水素結合による傾向
高温ほど: 水素結合している水の割合が低い ⇒ 体積減          水分子の熱運動が盛ん ⇒ 体積増     4℃           温度 縦方向の水温分布へ影響。 表面から凍りやすい。 51 51

52 比熱が全物質中で最大 水の性質 氷や水蒸気の比熱は小さい 物質 比熱(cal K-1 g-1) 水 1.00 エタノール 0.55 ベンゼン
比熱が全物質中で最大 水の性質 物質 比熱(cal K-1 g-1) 1.00 エタノール 0.55 ベンゼン 0.34 花崗岩 0.19 石英 0.17 ガラス 0.14 氷や水蒸気の比熱は小さい 52 52

53 対流(⇒上昇気流) 流体の流れ: 高温だと軽い 高温 一般に、気体や液体は、 高温ほど熱膨張し、軽くなる。 53 53

54 季節風の原因 アジア大陸(土、石) 太平洋(水) 夏: 陸より低温 冬: 陸より高温(上昇気流) 夏: より高温(上昇気流) 冬:より低温
夏: より高温(上昇気流) 冬:より低温 日本列島 太平洋(水) 夏: 陸より低温 冬: 陸より高温(上昇気流) 54 54

55 融解熱が大きい 水の性質(4) ● 氷( 0 ℃ )の融解熱: 80cal/g
融解熱が大きい 水の性質(4) ● 氷( 0 ℃ )の融解熱: 80cal/g ● 水素結合をしている割合 氷の水分子    100% 液体の水分子  約50% 水蒸気 0% ●水素結合の切断: 多量の熱が必要       形成: 多量の熱の除去が必要 ●気温: 北極(下が海)は南極(下が大陸)より 20℃高い。 55 55

56 気化熱(蒸発熱)が大きい 水の性質(5) ● 気化熱: 540cal/g 水素結合している割合: 液体の水 約50%、 水蒸気  0% ⇒ 気化: 水素結合の切断に大きなエネルギーが必要 ● 水の大きな気化熱 海洋性気候。スチ-ム暖房。高い消火力。 ● 発汗による体温調節 1 ℓ /h の発汗 ⇒  1ℓ の発汗で12 ℃の体温降下 満1才まで: 汗腺未発達 ⇒ 発汗による体温調節 不可 ● ラクダのコブ 脂肪30㎏ +空気中の酸素 →  水40㎏ + エネルギ- 脂肪(C, H, O)中のH  O →   H2O 56 56

57 状態変化と熱 加熱 57 57

58 ●水(分極している)は、極性物質をよく溶かす ●理由: イオンや極性物質への水和
水の性質(6) 溶解力が大きい ●水(分極している)は、極性物質をよく溶かす ●理由: イオンや極性物質への水和 陽イオン への水和 陰イオン への水和 58 58

59 結合水(不凍水) ● 凍る温度 結合水 準結合水 自由水 < -20 0 ~ -20 ≒ 0 (℃) ● 植物の耐寒性の差
  結合水   準結合水   自由水    < -20    0 ~ -20    ≒ 0 (℃) ● 植物の耐寒性の差 ● 砂糖の防腐作用、干物 (自由水の減少 ⇒ 微生物の増殖抑制) ● 冷凍食品の劣化 冷凍庫内( -18℃)でも凍っていない水が 10% 59 59

60 結合水、準結合水、自由水 60 60

61 冷凍による味の劣化 61 61 61

62 急速冷凍と家庭での冷凍 時間 → 62 62 62

63 硬水と軟水 ● 硬水: Ca2+ , Mg2+ の多い水 ● Ca2+ : 適度に含まれるとおいしい ● Mg2+ : 苦味、渋味。下痢の原因 ● 硬水中では石けんが使えない RCOONa + Ca2+ → (RCOO)2Ca (カルシウム石鹸)      Mg2+ →(RCOO)2 Mg(マグネシウム石鹸) 水に不溶 63 63

64 水の味 ◎ おいしい水 ◎ まずい水 ● CO2 、 O2 が多い ⇒ さわやか ● 一部のミネラル分(Ca2+, K+)
◎ おいしい水 ● CO2 、 O2 が多い ⇒ さわやか ● 一部のミネラル分(Ca2+, K+) ● 温度が ℃(地下水の温度) 低過ぎ → 舌が麻痺 高過ぎ ⇒ 清涼感がない ◎ まずい水 ● 湯ざまし:  CO2 、 O2 がない ⇒ 清涼感が弱い ● 下水処理水:アンモニア、有機物、大腸菌群が多い ● 塩素殺菌の水道水は臭いがあってまずい。 煮沸、活性炭で除ける。 ● オゾン殺菌(コスト大)の水道水はおいしい。 64 64

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67 宇宙背景放射 67

68 宇宙の歴史⑴ 素粒子 から 分子へ 2013年3月 ヒッグス粒子(質量の根源)を確認。通常の物質(標準理論の17種類の素粒子、全て発見)は宇宙の5%。残りは暗黒物質等。超対称性粒子か? 図、田口寿一 68

69 現代物理学で見た宇宙の歴史⑵ 混沌の世界 ⇒ インフレーション ⇒ ビッグバン ⇒ 138億年間の膨張 東京大学広報誌 69


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