圖解量子化學：一本讀懂橫跨所有化學領域的學問

量子化學橫跨所有化學領域
可說是化學根本的學問

化學底下可再分成有機化學、無機化學、高分子化學、生物化學、分析化學等多個子領域。
而量子化學則是一門橫跨所有化學領域，可說是化學根本的學問。
將「量子力學」的原理運用在化學上，就是所謂的「量子化學」，
可說明原子與電子的行為，以及分子結構、物理性質、反應性等等。
本書將用直觀的方式，簡單說明這門學問的內容。

化學不是只有實驗，某些化學領域僅在腦中思考理論，「量子化學」就是其中之一。
說到化學的理論，一般人可能會有種「一堆數學式」的印象，但量子化學並非如此。
量子化學是一門「透過圖形思考的理論」。
化學反應中，分子會分解、融合，或者扭曲變形。
看著圖中分子形狀的改變，一邊畫圖一邊思考，這就是量子化學。
要不要試試看呢？歡迎進入量子化學的世界。

齋藤勝裕

1945年5月3日出生。1974年日本東北大學研究所理學研究科博士課程修畢，現為名古屋工業大學名譽教授。理學博士。專業領域包含有機化學、物理化學、光化學、超分子化學。主要著作有《絶対わかる化学シリーズ》全18冊（講談社）、《わかる化学シリーズ》全16冊（東京化學同人）、《わかる×わかった! 化学シリーズ》全14冊（OHM社）、《マンガでわかる有機化学》《毒の科学》（以上，SB Creative）、《「発酵」のことが一冊でまるごとわかる》、《「食品の科学」が一冊でまるごとわかる》、《元素がわかると化学がわかる》（以上，Beret出版）；中文版著作有《科學料理：從加工、加熱、調味到保存的美味機制》（世茂）等。

前言

人類的歷史從石器時代開始，經歷了青銅器時代、鐵器時代後，才到了現代。青銅與鐵都是金屬，銅與錫混合後可製成青銅；鐵礦石是鐵的氧化物，還原後可得到金屬鐵，這些都是化學反應，要是沒有化學知識就無法製造出這些東西。
人類從文明早期開始，就已在研究化學知識。中世紀時盛行的鍊金術也是如此。提到鍊金術，可能會讓人想到神秘的魔法，不過認真做研究的鍊金術師會反覆實驗，仔細記錄物質的變化，後來演變成了今日的化學，進而奠定科學的基礎。
經過歷史上許多化學家累積下來的研究成果，最後終於抵達了物質的根源――原子。然而，原子是極其微小的粒子，憑肉眼根本無法看清，人類只能憑空想像原子的樣貌。也就是說，研究原子時，需操控假想的原子進行化學反應，就像在霧中野餐一樣，全都是想像與推論。
人類靠著反覆的實驗所得到的結果，試著從茫然曖昧的狀態中找出線索，累積起相關知識。這就是十九世紀末以前的化學界。
不過在剛進入二十世紀時，化學界出現了劇烈的變動。那時，顛覆了科學界基礎的兩大理論「相對論」與「量子論」陸續誕生。相對論解釋的是宇宙的行為，也就是以無限大的世界為研究對象的理論；量子論解釋的是原子、電子等微小粒子的行為，也就是以無限小的世界為研究對象的理論。
隨著量子論的誕生，化學領域中以原子、電子為研究對象的「量子化學」也開始發展。這時候的化學正式進入以“理論”為主的時代。換言之，化學的方法論從一個在沒有理論的狀況下，反覆實驗摸黑前進的學問，轉變成了以理論為基礎設計實驗的學問。
促進這種方法論發展的是1950年代時誕生的「分子軌域理論」，進入1970年代以後，「軌域對稱性理論」誕生。於是，籠罩著化學現象的謎團如太陽下的雲霧般逐漸散去，使本質清楚呈現在人們眼前。
現代化學的發展中，要是沒有量子化學方面的理論支持就難以前進。所有化學理論與化學實驗皆須奠基於量子化學。
本書將以淺顯易懂又有趣的方式介紹量子化學。內容的基本要求是「拿掉數學」，也就是以「沒有數學的量子化學」為目標。雖說如此，翻開本書正文就會發現還是有幾條數學式，特別是在開頭的部分。
不過，這些數學式終究只是「虛有其表的式子」，實際上的計算只包括四則運算。靜下心來看過這些數學式後反而會有種「什麼啊，還蠻簡單的嘛」的感覺。而且，就算跳過這些部分也沒有關係。進入本書後半部分後，就不會看到這些數學式了，只剩下許多圖。這種「用圖思考」的方式，裁示軌道對稱性理論的本質。
如果各位能透過本書，在量子化學的世界中享受理論化學的樂趣，那就太棒了。

2020年4月 齋藤勝裕

第Ⅰ部 量子力學
第1章　何謂量子化學
1-1 說明牛頓力學無法說明的現象
1-2 微粒子只能擁有分離的數值
1-3 無法同時精確得知兩個數值
1-4 我們只能用機率來表示電子的位置
1-5 微粒子同時具有量子的性質與波的性質
1-6 用方程式來表示電子的性質與行為

第2章　直線上的粒子運動
2-1 量子力學基礎中的基礎
2-2 為什麼會出現量子數
2-3 波函數的平方可表示粒子的存在機率
2-4 量子化學的最重要事項
2-5 考慮到原子結構的量子力學基礎事項
量子化學之窗　穿隧效應

第Ⅱ部 量子化學與原子、分子結構
第3章　原子結構
3-1 組成所有物質的微粒子
3-2 現代原子模型的建立需仰賴量子力學
3-3 原子中的電子以什麼樣的狀態存在？
量子化學之窗　為什麼要從「K」開始？
3-4 各軌域皆有其特有能量
3-5 軌域的形狀各有特色
3-6 電子會以何種狀態填入哪個軌域？

第4章　化學鍵
4-1 原子藉由化學鍵組成分子
4-2 原子軌域重疊所產生的鍵結
量子化學之窗　量子化學與計算機
4-3 分子軌域的計算基本上由＋－×÷構成
4-4 用微分求算能量的極小值
4-5 軌域能量才是量子化學的精隨

第5章　分子軌域法與鍵能
5-1 形成鍵結的成鍵軌域與破壞鍵結的反鍵軌域
5-2 原子間距離改變時，鍵能也會改變
量子化學之窗　觀看原子與分子
5-3 電子進入不同軌域時，鍵能也不一樣
5-4 可旋轉且強度較高的σ鍵與不可旋轉且強度較低的π鍵
5-5 單鍵、雙鍵、三鍵

第6章　混成軌域與共軛分子
6-1 由電子組成的混肉漢堡排
6-2 最基本的混成軌域
量子化學之窗　團簇
6-3 由雙鍵、三鍵組成的混成軌域
6-4 介於單鍵與雙鍵之間
量子化學之窗　鍵角
6-5 由3個、5個、7個等奇數個碳所組成的共軛分子
量子化學之窗　球狀共軛分子

第Ⅲ部 量子化學與分子的物理性質、反應性
第7章　共軛分子的分子軌域
7-1 分子軌域法的基礎
7-2 共軛分子的分子軌域法基礎
7-3 軌域函數擁有獨特的對稱性
7-4 共軛分子愈長，能階的間隔就愈狹窄
量子化學之窗　分子軌域函數與能階的整理
7-5 環丁二烯與苯的分子軌域
量子化學之窗　分子軌域計算

第8章　分子的物理性質與分子軌域
8-1 為什麼共軛分子比較穩定？
量子化學之窗　分子的穩定性
8-2 π電子位於何處？
8-3 應視為幾個鍵？
8-4 自由基會以分子的哪個部分進行反應？
量子化學之窗　「就算跌倒，也不要馬上站起來」
8-5 什麼是芳香族？
8-6 芳香族化合物的性質與反應性

第9章　分子的發光、呈色與分子軌域
9-1 為什麼分子會發光？
量子化學之窗　色彩的三原色
9-2 水銀燈與霓虹燈的發光原理
9-3 OLED是下個世代的電視
9-4 發光與呈色屬於不同現象
9-5 為什麼漂白劑能去除顏色？
量子化學之窗　危險！別混在一起！

第10章　熱反應與光反應
10-1 加熱或照光都會起化學反應
10-2 原子與分子會用最外側的軌域參與反應
10-3 鏈狀化合物轉變成環狀化合物的反應
量子化學之窗　伍德沃德教授與諾貝爾獎
10-4 環中原子彼此相連，形成兩個環的反應
10-5 氫在碳之間移動的反應
量子化學之窗　理論與實驗

附錄章
二維、三維空間的粒子運動
1 平面上的粒子運動
2 分析平面上的粒子運動
3 波函數與能階
4 函數的表現
5 能階與簡併
6 三維空間的粒子運動與極座標