名城大学理工学部 応用化学科 永田研究室
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ブログ「天白で有機化学やってます。」 ブログ「天白で有機化学やってます。」

電気化学のシミュレーション:Python を使ってみる2020/02/07(金)

前回のエントリ、「電気化学のシミュレーション」の続きです。Excel シートを使ったシミュレーションは、初心者にも理解しやすい利点がありますが、柔軟性に欠けます。このシートで十分に電気化学シミュレーションの原理を理解した上で、もう少し本格的なシミュレーションに進むのがよいでしょう。

こういう計算をするためには、何か1つプログラム言語を学んでおきたいところです。今回は、Python を使ってみることにしました。近年、機械学習やら何やらで、Python はずいぶんと持て囃されております。試してみて損はないでしょう。得になるかどうかは知りませんが…

Python の公式ウェブサイトは、www.python.org です。ここから Downloads に進みます。Windows なり Mac OS X なり、必要なものを選んでください。

下のような画面になります。自分の環境 (64 bit or 32 bit) に合ったインストーラをダウンロードします。Windows では "executable installer" がよいでしょう。

インストールしたあと、もう一手間が必要です。Python には、世界中のユーザーが作った多くの「ライブラリ」があって、目的に合わせた機能を簡単に実現してくれます。今回は、NumPymatplotlib というライブラリを使います。NumPy は科学技術向けの数値計算を行うライブラリ、matplotlib はグラフを描画するライブラリです。この2つがあれば、「数値計算でシミュレーションを行って、その結果をグラフにする」という最低限の目的は達成できます。

ライブラリをインストールするには、下のコマンドを使います。Windows では「コマンドプロンプト」か「PowerShell」、Mac OS X では「ターミナル」を開いて、文字列を打ち込んでください。なお、matplotlib をインストールすると、NumPy も同時にインストールされます。

python3 -mpip install matplotlib  #  Windows では python3 の代わりに py 

前回の Excel シートの "EC2" タブと全く同じ結果になるように、シミュレーションのプログラムを書いてみました。

上下左右が反転しているのは、「酸化電位が右、酸化電流が正で上」という表示にしたためです。電気化学の軸の表示方法には、この流儀と、前回の Excel シートのように「還元電位が右、還元電流が正で上」という流儀がありますが、うちの研究室は前者の流儀です。

プログラムはこちらです。これを echem.py という名前で保存して、下のコマンドで実行してください。

python3 echem.py  #  Windows では py echem.py 

ここではプログラムの解説はしません。Excel シートと見比べて、何をしているのかを読み解いてみてください。

電気化学のシミュレーション2020/02/05(水)

うちの研究室では、有機化合物の電気化学反応をよく取り扱っています。「人工光合成」の研究には、酸化還元の議論が不可欠だからです。電気化学の測定方法で最もよく使っているのが、サイクリックボルタンメトリーです。サイクリックボルタンメトリーは、比較的手軽な測定方法である上に、得られる情報が非常に多いため、研究現場では欠かせない手法です。

サイクリックボルタンメトリーは、単に酸化還元電位を調べるためだけではなく、酸化還元に伴う他の反応を調べるためにも有用です。例えばこういう反応ですね。

1電子還元して得られた生成物が、さらに他の物質に変化していく、という反応です。「EC 過程」と呼ばれています。こういう過程では、サイクリックボルタンメトリーが通常の形とは異なって、「帰りの波」がつぶれたように見えます。還元生成物が一部失われて、再酸化されなくなるためです。(この例では、1電子還元と同時にプロトン化も起きているので、さらに複雑です。ここでは、プロトン化は可逆的に起きるものとして、そのあとの C-C 結合生成反応に注目することにします。)

さて、このように「つぶれた」ボルタモグラムの結果を理解するためには、数値計算によるシミュレーションが有効です。DigiSim などの市販ソフトウェアがありますが、無料で使えて、中身も理解できるような(オープンソースの)ソフトウェアはないものか?と探してみたところ、Excel のシートでやっている論文を見つけました。(J. H. Brown, J. Chem. Educ. 2015, 92, 1490-1496. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.5b00225)。Supporting Info に Excel シートが公開されていたので、さっそくダウンロードして開いてみました。おお、ちゃんとシミュレートできてますね。

実は、学生に「Excel とかでできないんですか?」と聞かれて、「そんなん無理ちゃう?」と適当に答えたあと調べてみたら、速攻で見つかったという…適当に物を言ったらいけませんね。

この Excel シートは、基本的な電気化学過程を理解するという点で、教育的な目的にはとても有用です。拡散方程式を数値的に解くのにセル間の計算式を使っていて、関係が理解しやすい。また、定数を変えると即座に結果が反映されるのもよい。ただ、シートを使っていることで、欠点もあります。セルの数を変えたり、関連する反応式を増やしたりしようと思うと、非常に手間がかかります。このため、電気化学の研究レベルで使うには、ちょっと力不足です。もう少し検討する余地がありそうです。

有機化学1・化学反応論の成績2020/01/28(火)

後期の定期試験の成績を提出しました。まだ追試験・再試験が残っていますが、採点が終わったところまでの成績速報を出しておきます。

まず、1年生配当の有機化学1です。(前回はこちら。ただし、カリキュラムが変わったので科目内容は異なります)

去年の有機化学1と比べるよりは、前期の「有機化学基礎」の成績と比べた方がよいでしょう。同じ人が受講しているわけですが、不合格の人が 8 人から 15 人に倍増。ついて来れなくなっている人が増えているようです。

毎回のレポート/小テストと成績の相関を調べてみたところ、はっきり相関が見られたのは小テストの点数でした。小テストの点数が低いことは、「理解が不十分である」ことを客観的に示している、と証明されました。小テストの点数が低かった分野について、各自で理解を深める努力をしていただきたいと思います。

今回は有機化学1の再履修者が多くいましたので、再履修クラスの成績も出しておきます。こちらは旧カリキュラムです。

2回目なのに、ちょっと不合格者が多いですねえ。こちらについても、小テスト点数と成績の相関を出しておきます。1年生の有機化学1と比べると、全体に成績は高めではありますが、不合格の人はやはり小テストの点数が低い傾向があります。しっかり対策していただきたいですね。

最後に、化学反応論です。

試験がやや易し目だったかもしれませんが…まあ、よくできていましたね。今年度は、講義に多少メリハリをつけて、「ぜひとも理解して欲しいポイント」はある程度伝えられたかなと思っています。普段のレポートや小テストを見ても、よく勉強しているな、という印象は持っていたので、妥当な結果でしょう。(なお、この科目は来年度から丸山先生が担当されますので、私の担当は今回で終わりです。)

最後のセンター試験2020/01/24(金)

「最後のセンター試験」が終了しました。今回は出題傾向がはっきり変わりましたね。明らかに、来年以降の「共通テスト」で目指している方向性を先取りしています。

数学で「マジ涙目」という声が多く上がっていたようです。第2問の [2] が強いインパクトを与えましたね。全分野の中での問題内容のバランスとしては、ちょっと疑問を感じるところもあります。「なんでも箱ひげ図」ではイカンのじゃないでしょうか。社会科学系の人たちの声にひきずられてませんか、と感じました。

化学は「両対数グラフ」が出てきたのが目を引きますね。両対数方眼紙に書いたグラフから、「濃度の対数と反応速度の対数が比例関係にある」ということを読み取って下さい、という意図です。ただね、今どき対数方眼紙なんて使わないんですよ。実験データの対数値を数値として出して、その数値を使ってプロットするのが普通です。だから、この設問では「濃度の対数を横軸、反応速度の対数を縦軸にとってグラフを書くと、原点を通る直線になった」という話に持って行って欲しい。最初から「文章で」そういう聞き方をしてほしかったな、と思います。両対数グラフを読ませる問題にしてしまうと、「大学入学レベルでは対数方眼紙の知識が必要」と誤解されてしまいます。必要なのは、対数方眼紙の知識じゃなくて、「対数同士が比例関係にあることから何がわかるか」なんですよ。

あとは、なんといっても、日本史Bの第1問ですね。これは出題者の「魂の叫び」だな。

チカコ:それにしても、なぜ歴史を学ぶ必要があるのかな? 歴史を学んだり研究したりしても、経済的な利益や技術革新には結びつかないから、そんなのは無駄だといってる人がいたよ。

マサコ:それはとても貧しい発想だね。

もっとも、私は「会話文を使った出題」は国語・外国語の試験以外では不適切だと思っています。どうしても表現が冗長になるし、あいまいさが残りやすくなります。注意深く作題すれば良問を作ることは可能でしょうが、そこまでして「会話文を使う」必然性があるのだろうか、と思うのです。

まあ、いずれにしても、終わったことです。二次試験がある人は、しっかり切り替えていきましょう。「失敗しちゃった…」と引きずっている人は、この記事(「センター試験の結果に涙したリスナーにかける言葉」、マイナビニュース)で、School of Lock のとーやま校長のメッセージを読んで、元気をだしてください。

1/10 に発生した本学学生による傷害事件については、たいへんに心を痛めております。いろいろと思うところがありますが、同じ大学・学部に所属する立場でありますので、当面はコメントを控えておきます。被害に遭われた教員が順調に回復されることと、加害を起こしてしまった学生が法の下で公正な裁きを受けることを祈念しております。

大学入試共通テスト迷走中…2019/11/29(金)

萩生田文部科学大臣の「身の丈」発言に始まって、あれよあれよと言う間に急展開。英語民間試験は延期されるわ、国語記述問題は「受験資格選別に使わないように」と通達が出るわ、状況の変化が速すぎて、正直フォローしきれてません。

文部科学省は、大学には「入学試験制度を変更する場合は必ず2年前に告知するように」と常々強く指導しています。今回は、文部科学省自らが「2年前ルール」に違反しまくっている。それだけ問題点が多い、ということです。

教育評論家のおおたとしまささんが、「『大学入試改革』は『中学入試改革』に学べ!」という記事を書いておられます。私立中学の入試と大学の入試は同じようには扱えないので、この記事は「話半分」どころか話5%ぐらいに読んでおいた方がよいと思うけど、最後の一節には深く共感します。

教育とは、ひとを育てる営みであり、それ自体が生き物のようなものだ。生き物は急には変われない。一気にOS(オペレーティングシステム)を変えられるコンピュータやスマホとはそこが違う。しかし生物は、変化が多様で遅い代わりに恒常性が働きやすく、変化に伴うバグを自ら然るべき形で修復できる。

教育をシステムと捉えるか、生物と捉えるか。そこにいちばんのボタンの掛け違いが生じるのではないか。

教育制度というのは、ゆっくりと成熟させていかないといけないのです。「システムを揺さぶれば短期間で成果が上がる」というのは、機械などの無生物を生産した経験しか持たない人の勘違い、または幻想でしかありません。

以前にも書きましたが、受験生の人にはもう一度メッセージを出しておきたいと思います。これから「入試改革」がどう転ぶかは予想がつきませんが、大学で学ぶのに必要とされる能力は1年や2年でそうそう変わるものではありません。だから、今みなさんが進めている準備を、迷わず続けてください。ただし、セコい受験テクニックばかり追い求めてたらダメだよ。本質的な理解にたどりつくための勉強法を、今から磨いていってください。そういう力をつけておけば、入試制度がどうなったとしても対応できるし、大学入学後も、その後の人生においても、役に立つはずです。

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