無機工業化学

無機工業化学

https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/53202/53202.asp

この授業は、 山形大学・ディプロマ・ポリシー に則り、 社会生活や職業生活の場で実践的に活用する能力を培う。 また、 工学部・ディプロマ・ポリシー に則り、 社会的・職業的に自立する意識、職業選択を自主的に行える能力、及び社会と産業の発展に果 敢に取り組む挑戦的な態度を培う。 さらに 物質化学工学科の学習・教育目標(B) に則り、 工学基礎および専門知識を習得し、将来の継続的学習にを促す。

工業化学は、資源変換による基礎素材の製造およびそれらに付加価値を与えた工業化学製品の製造を含む化学工業である。また,エネルギー資源の変換化学も工業化学の範疇に入れられている。無機工業化学として分類されているのは、酸・アルカリ工業、無機薬品製造、金属工業、セラミックス、電気化学工業などである。多様な最終製品の生産には、無機工業化学であっても、有機化学反応が応用されていることが多くある。そのため、本講義では工業化学全般を解説しているテキストを採用し、有機化学工業との関連を理解できるようにする。 本講義では,化学工業の基幹原料の製造および無機工業薬品やファインセラミックス製造の基礎原料となる金属工業や電気化学工業を中心として解説する。また材料、素材、素形材、部材、部品、製品の流れをエネルギー、資源、環境の視点から追いながら、工業化学全体を見通し、無機化学、物理化学などの応用分野を俯瞰する。無機化学に関連した科目を基礎として化学の応用力や工業化学的センスを身につけ、自分にあった社会貢献できる技術者の姿勢を見出すことをねらいとする。

  1. 明治43年、旧米沢高等工業学校の設立―産業革命と化学工業の歴史―
  2. 1000気圧が生み出す肥料と食料―酸・アルカリ工業と水資源―
  3. 3ボルトが生み出す洗剤と水素―電気化学工業―
  4. 1500℃が作る東京スカイツリー―鉄鋼―
  5. 1000℃、4Vが作る新幹線―非鉄金属―
  6. 3000℃が作る航空部材―窯業―
  7. ひとり毎日1キログラムの廃棄物―資源からリサイクルへ―
  8. 太陽がくれた1キロワット毎平米―エネルギープラント―
  9. トイレットペーパーがなくなったら?-パルプ、紙、繊維―
  10. 自動車がなくなったら―目指せ燃費リッター40キロ―
  11. マンガ本がなくなったら―印刷技術と半導体―
  12. スマホがなくなったら―情報とメディア、家電―
  13. 電池がなくなったら―生活に役立つ工業製品を作ろう―
  14. 食べ物がなくなったら―環境、持続可能な社会に向けて―
  15. 受講ノートの「いいね!」の集計
  16. テキストと参考書

1. 明治43年、旧米沢高等工業学校の設立―産業革命と化学工業の歴史―

工業化学は産業革命に始まり、日本の産業革命は明治期に始まった。

  1. 野村正勝・鈴鹿輝男, 最新工業化学―持続的社会に向けて― , 講談社サイエンティフィク , p.1 (2004).
  2. 中村 収三 編著, 技術者による実践的工学倫理第2版 , 化学同人 , p.137 (2013).
  3. 松林光男/渡部弘 著, イラスト図解 工場のしくみ , 日本実業出版 , p.13 (2013).

2. 1000気圧が生み出す肥料と食料―酸・アルカリ工業と水資源―

アンモニアは、鉄触媒を使って窒素と水素を直接反応させて製造します(ハーバー・ボッシュ法)。 水素と空気を混ぜたって何も起こらないだろうとおもいきや高温・高圧の釜に放り込む発想がすごい。 しかもちょこっと錆びた鉄の釜を使って反応効率が向上するところを発見するなんざ、ハーバーもボッシュもはんぱないアブナイおっさんではないでしょうか。

食べるためのアルカリ-灰汁は人類最初のpH調整剤?-

農業革命の前に食べていたものはドングリの実などでした。でもそのままでは渋くて食べられません。 灰汁(あく)抜きをしない。 じゃあ、灰汁ってなんですか? 植物の灰を水に溶かしたものです。 主成分は 炭酸カリウム 。 植物に含まれるシュウ酸などの有害なをアルカリで中和したんです。 ポット(鍋)でアッシュ(灰)を使って調理するからポタージュ。 今では 重曹 などが pH調整剤 として 食品 に使われるけどね。 ワラビの灰汁抜きのレシピをネットで検索してノートに書きなさい。 身近な酸と塩基についてそのpHと成分の化合物を化学式でノートに書きなさい。 pH調整剤について調べてノートに書きなさい。 濃度と電離度の関係をネットで検索してノートに書きなさい。 書き終わったら、近くの人から署名と日付をもらおう。

洗うためのアルカリ

食べることができたら、着るもの。文明は衣服からはじまります。 繊維の洗浄のためのアルカリです。

肥料のためのアルカリ

植物は二酸化炭素は気孔から、水は根毛から、そしてその他の元素はイオンかたちで根毛から吸収します。 したがって窒素、リン、カリウムと言った肥料はイオンの形で水に溶解させなければなりません。 18世紀の産業革命による人口爆発で食糧危機に陥った都市の住民は、 天然肥料にたよっていた肥料を科学技術でなんとかならないか工夫するようになりました。 20世紀初頭に確立された空中窒素固定法における アンモニア 合成で 1000 気圧 の窒素と水素を触媒下 600 °C で接触反応させるものです。窒素と水素を原料にした アンモニア 合成は、ルシャトリエの原理を化学工業に応用した例です。 圧力を温度を変えたときのアンモニアの体積百分率をグラフをノートに描きなさい。

N2 + 3H2↔2NH3 + 92.2kJ ( * )

酸とアルカリの材料

酸とアルカリの物理量


3. 3ボルトが生み出す洗剤と水素―電気化学工業―

水酸化ナトリウムはアノードに炭素、カソードに鉄を使って塩化ナトリウム溶液を電気分解することで製造します(イオン交換膜法)。 混ぜたり、煮たり、焼いたりという化学の世界に電気を流すという発想がすごい。 思い切り水をはじくポリテトラフルオロエチレンに手を加えてイオン交換膜に仕上げる技術もすばらしかった。 ポリテトラフルオロエチレンはフライパンの焦げ付き防止に使われています。 導電率計は塩分取り過ぎないように塩分のチェックに使われています。


製塩とイオン交換膜

半透膜を使った電気透析とは何か?赤ちゃんを育てるのに欠かせない粉ミルクの製造から原発事故の放射性物質除去まで。

水と海水の電気分解

電解工業の材料

電解工業の物理量


4. 1500℃が作る東京スカイツリー―鉄鋼―

1000 °C くらいで溶けるのに、鉄ときたらそう簡単には溶けない。 炭素を溶解させてモル凝固点降下を使って融点を下げるヒッタイトの知恵。 近代製鉄は産業革命後の歴史にも大きく影響を与えた。 鉄と石炭。 現代のコークス炉は廃プラスチックの処理にも一役買っていてさながら石油コンビナートのようだ。 海外の生産量が増す中、日本の製鉄の将来はいかに?

4.1 鉄鋼

人名
三鬼隆
大島高任

4.2 材料としての鉄と合金

元素としての鉄と材料としての は違う。 例えていうなら、水を凍らせるとき、ちょっと混ぜ物をするだけでシャーベットになったりソフトクリームになったりするようなものだ。 炭素の濃度と冷却の仕方でいろいろな性質を持った鉄ができる。 その様子を表現したものが相図だ。 ものすごい強度を持つスチール材料はどこに使われているか? はたまた磁力を持つという鉄の特性はどんな風に応用されるか? 錆びるという鉄の宿命を大きく変えた ステンレス とはどんな材料か?

4.3 近代製鉄と石炭

鉄の 融点  Tm はおよそ 1538 °C 。 とても容器が持たない。 だからコークスと混ぜて高炉に入れる。

応力 融点 石炭

4.4 コークス炉とリサイクル

  1. 野村正勝・鈴鹿輝男, 最新工業化学―持続的社会に向けて― , 講談社サイエンティフィク , p.70 (2004).
  2. 小沢昭弥, 現代の電気化学,新星社, p.105 (1990).
  3. 松林光男、渡辺弘, イラスト図解工場のしくみ , 日本実業出版社 , p.23 (2004).

5. 1000℃、4Vが作る新幹線―非鉄金属―

狭義の非鉄金属(銅・鉛・亜鉛・スズ)

耐食性に優れ、電気伝導度が大きい銅は古くから製造されてきました。

軽金属(アルミニウム・マグネシウム・チタン)

密度が小さく電気伝導度が大きいアルミニウムは電線や航空機に使われますが、製造には多量の電気を使います。

貴金属(金・銀・白金)

都市鉱山から回収できるか?

レアメタル


6. 3000℃が作る航空部材―窯業―

高温を如何に得るか?窯業はまさに焼き物の世界。

6.1 セラミックス

6.2 ガラス

6.3 コンクリート・建材

6.4 石炭化学・炭素材料

  1. 野村正勝・鈴鹿輝男, 最新工業化学―持続的社会に向けて― , 講談社サイエンティフィク , p.70 (2004).

窯業の材料

窯業からできる最終製品


7. ひとり毎日1キログラムの廃棄物―資源からリサイクルへ―

サプライチェーン

7.1 サプライチェーン

天然資源から工業製品までのサプライチェーンを追いかけてみましょう。 化学薬品から肥料、そして農産物、食品まで。 洗剤まで。 茶碗などの日用品まで。

7.2 資源

7.2 原材料

7.3 製品

7.4 リサイクル


8. 太陽がくれた1キロワット毎平米―エネルギープラント―

電力自由化まであと -933 日。 電力会社の越境販売、 エネット のような通信会社やガス会社が出資した新しい会社の参入。 電力小売は戦国時代。日本の電力はどうなるか?

8.1 発電

水力発電、火力発電、LNGコンバインドサイクル、原子力発電 排出係数0.551キログラム/キロワットアワー。 東北電力は0.589はてな?

8.2 送電・変電・配電

山形大学工学部の現在の使用電力
山形大学工学部の現在の使用電力

スマートグリッド

電力の消費をインターネットなどの通信インフラを使って双方向でモニタリングするスマートメーターを導入し 電気自動車、蓄電池、燃料電池、コジェネネレーション、太陽光発電と言った分散型電源からの 余剰電力を活用します。

表8.1 臨界温度と臨界圧力
材料 分子式 臨界温度Tc / ° 臨界圧力 Pc / atm 三重点温度/ ° 三重点圧力/ atm
H2O 374 218 0.010 0.006
二酸化炭素 CO2 31 72.8 -56.3 5.1


9. トイレットペーパーがなくなったら?-パルプ、紙、繊維―

繊維

4代文明と繊維 アスベスト、カーボンナノチューブ

織物

編物

文字を書くためのメディアとして発達した紙。中国で生まれペーパー試験を生み出し、ヨーロッパでは宗教革命を起こしました。


10. 自動車がなくなったら―目指せ燃費リッター40キロ―

自動車

自動車

自動車部品

自動車産業はサプライチェーンの最たるものです。

エンジンと熱サイクル

エアコンと熱サイクル

半導体によるペルチェ効果による冷却。 磁場冷却。

鍛造と鋳造

自動車産業はサプライチェーンの最たるものです。

めっき

エンジンと熱サイクル


11. マンガ本がなくなったら―印刷技術と半導体―

半導体

  1. 野村正勝・鈴鹿輝男, 最新工業化学―持続的社会に向けて― , 講談社サイエンティフィク , p.18 (2004).

印刷技術

活版(フレキソ)・凹版(グラビア)・平版(オフセット)・孔版(スクリーン)・インクジェット

エッチング


12. スマホがなくなったら―情報とメディア、家電―

スマートフォンもタブレットもパソコンも、液晶画面なしでは作れない。しかもタッチパッドまで。液晶ディスプレイの作り方を知っていますか?

スマートフォン、タブレット、パソコン

プロジェクター


13. 電池がなくなったら―生活に役立つ工業製品を作ろう―

電子蚊取り器、温度計、扇風機、ヘルスケアや介護、おもちゃに至るまで、生活に役立つ工業製品を作ろう。生活に役に立つ工業製品はどうやって開発すればいいのだろうか?

家電製品 ロボット家電 電子蚊取り器、温度計、乾電池、扇風機、サーチライト、UPS、鉛電池、太陽電池、リチウム電池、HEV

ホームエネルギーサーバー


14. 環境、持続可能な社会に向けて

醸造

  1. 野村正勝・鈴鹿輝男, 最新工業化学―持続的社会に向けて― , 講談社サイエンティフィク , p.18 (2004).

15. まとめと論文作成


・基準
1)材料、技術、工業製品、時代ごと社会背景などの与えられたテーマについてデータや図表を含む小論文にまとめられることを合格の基準とします。
2)社会貢献できる技術者の姿勢について自らの考えを小論文にまとめられることを合格の基準とします。
・方法
出席システムでの出席率が67%以上、履修証明に値する受講ノートの提出を受験資格とし、 受講ノートに作成した小論文ならびにHPに公開された課外レポートで評価する (小論文作成時は、下記の電子書籍を含む自署の署名のある指定テキストのみ持込可、 テキストへの書込可。他者の署名のあるテキストは持ち込み不可。 タブレットやスマートフォンなどの情報機器も持込不可。)課外レポートは評価の加点のみとし、保護者への報告書、工場見学報告書、工業製品市場調査報告書を評価の対象とする。

教科書と参考書

テキスト:野村正勝・鈴鹿輝男, 最新工業化学―持続的社会に向けて―, 講談社サイエンティフィク, (2004).
テキスト:小沢昭弥、現代の電気化学,丸善,(2012).※生協にて取り扱い テキスト:松林光男、渡辺弘, イラスト図解 工場のしくみ, 日本実業出版社, (2004).※情報処理概論、品質管理、技術者倫理の共通テキスト
参考書:山形大学基盤教育院, 成せばなる, 山形大学出版会, (2010).
参考書:塩川二朗編著, 無機工業化学通論, 共立出版, (1984).
参考書:伊藤要著, 無機工業化学概論, 培風館,(1981).
参考書:山田保,尾藤忠旦著, 工業化学概論, 朝倉書店, (1965).
参考書:実教出版, サイエンスビュー化学総合資料, 実教出版, (2005).
参考書:数研出版編集部, 視覚でとらえるフォトサイエンス化学図録, 数研出版, (1998).
参考書:実教出版, サイエンスビュー生物総合資料, 実教出版, (2006).
参考書:鈴木孝仁, 視覚でとらえるフォトサイエンス生物図録, 数研出版, (2000).
参考書:数研出版編集部, 視覚でとらえるフォトサイエンス物理図録, 数研出版, (2006).
参考書:小島丈兒, 新訂地学図解, 第一学習社, (1986).
参考書:宮崎正勝, モノの世界史, 原書房, (2002).
参考書:P. W. Atkins [著]/千原秀昭, 稲葉章訳, 物理化学要論, 東京化学同人, (1998).
参考書:井上 勝也 著, 現代物理化学序説 改訂版, 培風館, (1988).※絶版
参考書:新日鉄製鉄(株), 鉄の未来が見える本, 日本実業出版社, (2007).
参考書:田中和明, 図解入門 よくわかる最新金属の基本と仕組み, 秀和システム, (2007).
参考書:雀部晶,鉄のはなし,さ・え・ら書房, (1982).
参考書:吉岡安之, じしゃく忍法帳 磁石とエレクトロニクスのはなし, 日刊工業新聞社, (2001).
参考書:小林藤次郎, アルミニウムのおはなし, 日本規格協会, (1985).
参考書:日本化学会, 家電製品がわかるⅠ, 東京書籍, (2008).
参考書:日本化学会, 家電製品がわかるⅡ, 東京書籍, (2008).
参考書:日本化学会, 自動車がわかる, 東京書籍, (2009).
参考書:日本化学会, 衣料と繊維がわかる, 東京書籍, (2011).
参考書:大竹尚登・神崎昌郎・宇治原徹・高崎正也, これで使える機能性材料パーフェクトガイド, 講談社, (2012).
参考書:成美堂出版編集部, モノができる仕組み辞典, 成美堂出版, (2008).※絶版
参考書:風早健史, モノの最新テクノロジーがわかる本, 成美堂出版, (2010).

生協

若手のプレゼン力アップ支援

企業で働く若手のプレゼン力アップのため、講義の一部にプレゼンターを受け入れております。 何度か来学頂いて、事前に講義内容を打ち合わせの上、実際の学生を前にしてプレゼンをしていただきます。