疎水性水和および親水性水和における比熱の理論

水和は、大きく疎水性水和と親水性水和に分けられ、その区別を最も明瞭な形で示す熱力学変数が溶質の部分モル比熱である。本研究の目的は、溶質の部分モル比熱と溶液構造の溶質の挿入による変化とを結び付ける水和殻モデルの統計力学的基礎を定式化することである。その上で、水和殻中の溶媒分子間の相関がどのようにして溶質の部分モル比熱として発現するかを理論的に明らかにし、部分モル比熱を溶質の周りの溶媒分子の構造・エネルギー相関に結び付ける一般的な手法を開発する。メタン水溶液を単純なモデル系として用いて、系の構成分子のエネルギー間の相関を観測される部分モル比熱に定量的に結び付け、疎水性水和に伴う構造形成の効果の熱力学的な意味を論じた。また、いくつかの官能基を持つより複雑な溶質についても検討し、異なった基の水和殻構造の間の干渉と経験則としてよく使われる加成則との間の関連を調べた。さらに、常温常圧から超臨界状態までを含む広い温度・密度範囲を単純な数学的形式で記述するために、溶質-溶媒相互作用エネルギーによって分子配置を指定するエネルギー表示の分布関数理論を定式化した。エネルギー表示の分布関数理論では、溶質分子や溶媒分子がどのようなものであっても、それぞれを一つの単位として捉えるので、距離情報に基づく溶液理論につきまとう多体の分子内相関の効果による困難は消滅する。そのため、低中密度の分子性溶液に関する定量性のある近似理論を定式化することが一気に可能になり、低密度領域から高密度領域までをスムーズに結ぶ溶媒和の理論を構築することができる。エネルギー表示の積分方程式理論を用いて、気体様から液体様に至る、超臨界状態を含む広い温度・密度範囲の疎水性水和および親水性水和の熱力学量を計算し良好な結果を得た。

水和は、大きく疎水性水和と親水性水和に分けられ、その区別を最も明瞭な形で示す熱力学変数が溶質の部分モル比熱である。本研究の目的は、溶質の部分モル比熱と溶液構造の溶質の挿入による変化とを結び付ける水和殻モデルの統計力学的基礎を定式化することである。その上で、水和殻中の溶媒分子間の相関がどのようにして溶質の部分モル比熱として発現するかを理論的に明らかにし、部分モル比熱を溶質の周りの溶媒分子の構造・エネルギー相関に結び付ける一般的な手法を開発する。メタン水溶液を単純なモデル系として用いて、系の構成分子のエネルギー間の相関を観測される部分モル比熱に定量的に結び付け、疎水性水和に伴う構造形成の効果の熱力学的な意味を論じた。また、いくつかの官能基を持つより複雑な溶質についても検討し、異なった基の水和殻構造の間の干渉と経験則としてよく使われる加成則との間の関連を調べた。さらに、常温常圧から超臨界状態までを含む広い温度・密度範囲を単純な数学的形式で記述するために、溶質-溶媒相互作用エネルギーによって分子配置を指定するエネルギー表示の分布関数理論を定式化した。エネルギー表示の分布関数理論では、溶質分子や溶媒分子がどのようなものであっても、それぞれを一つの単位として捉えるので、距離情報に基づく溶液理論につきまとう多体の分子内相関の効果による困難は消滅する。そのため、低中密度の分子性溶液に関する定量性のある近似理論を定式化することが一気に可能になり、低密度領域から高密度領域までをスムーズに結ぶ溶媒和の理論を構築することができる。エネルギー表示の積分方程式理論を用いて、気体様から液体様に至る、超臨界状態を含む広い温度・密度範囲の疎水性水和および親水性水和の熱力学量を計算し良好な結果を得た。