Вальтер Нернст

Вальтер Нернст (полное имя — Вальтер Герман Нернст, 25 июня 1864, Бризен, Западная Пруссия — 18 ноября 1941, Обер-Цибер, Германия) — немецкий физик и физикохимик, один из основоположников современной физической химии. Лауреат Нобелевской премии по химии 1920 года за работы в области термохимии. Наиболее известен как автор третьего начала термодинамики (теоремы Нернста) и уравнения Нернста, связывающего электродный потенциал с концентрацией ионов. Внёс фундаментальный вклад в развитие электрохимии, термодинамики, фотохимии и теории растворов.

Биография

Ранние годы и образование

Вальтер Нернст родился в семье судьи Густава Нернста и его жены Августы. В 1883 году поступил в Цюрихский университет, где изучал физику и математику. Позже продолжил обучение в Берлинском университете под руководством Германа фон Гельмгольца, а также в Вюрцбургском университете, где в 1887 году защитил докторскую диссертацию на тему «Электродвижущая сила ионов». В 1889 году, в возрасте 25 лет, Нернст опубликовал свою знаменитую работу, в которой вывел уравнение, описывающее зависимость электродвижущей силы гальванического элемента от концентрации ионов (уравнение Нернста).

Академическая карьера

В 1891 году Нернст стал профессором физической химии в Гёттингенском университете, где основал Институт физической химии и электрохимии. В 1905 году перешёл в Берлинский университет, где занял кафедру физической химии. В 1924 году, после выхода на пенсию, был назначен директором Института физики кайзера Вильгельма в Берлине (ныне Институт Фрица Габера Общества Макса Планка).

Поздние годы

После прихода к власти национал-социалистов в 1933 году Нернст, будучи противником режима, отошёл от активной научной и общественной деятельности. Он умер в 1941 году в своём имении в Обер-Цибере (ныне часть Польши).

Научные достижения

Уравнение Нернста

В 1889 году Нернст вывел фундаментальное уравнение электрохимии, которое связывает электродный потенциал (E) с активностью ионов в растворе: \[ E = E^0 - \frac{RT}{nF} \ln Q \] где \(E^0\) — стандартный электродный потенциал, \(R\) — универсальная газовая постоянная, \(T\) — температура, \(n\) — число электронов, участвующих в реакции, \(F\) — постоянная Фарадея, \(Q\) — отношение активностей окисленной и восстановленной форм. Это уравнение лежит в основе работы всех электрохимических сенсоров, аккумуляторов и топливных элементов.

Теорема Нернста (Третье начало термодинамики)

В 1906 году Нернст сформулировал тепловую теорему, которая позже стала известна как третье начало термодинамики. Согласно этой теореме, при приближении температуры к абсолютному нулю (0 К) изменение энтропии в любой изотермической реакции стремится к нулю. Это означает, что при абсолютном нуле энтропия любой системы в состоянии равновесия равна нулю (или постоянной величине, не зависящей от параметров системы). Теорема Нернста позволила объяснить, почему многие химические реакции не идут до конца при низких температурах, и стала основой для расчёта химических равновесий.

Правило распределения Нернста

В 1891 году Нернст сформулировал закон распределения вещества между двумя несмешивающимися растворителями (правило распределения Нернста). Согласно этому закону, при постоянной температуре отношение концентраций одного и того же вещества в двух несмешивающихся фазах (например, в воде и органическом растворителе) является постоянной величиной, не зависящей от абсолютных концентраций. Это правило широко используется в экстракционной химии и аналитической химии.

Теория электролитической диссоциации

Нернст развил теорию электролитической диссоциации, предложенную Сванте Аррениусом. Он ввёл понятие «коэффициента активности» для учёта межионных взаимодействий в растворах сильных электролитов. Совместно с Фридрихом Вильгельмом Оствальдом и Якобом Хендриком Вант-Гоффом Нернст считается одним из основателей физической химии как самостоятельной науки.

Изобретение лампы накаливания с твёрдым телом

В 1897 году Нернст изобрёл «лампу Нернста» — электрическую лампу накаливания, в которой светящимся элементом служил стержень из оксидов редкоземельных металлов (например, оксида циркония или иттрия). В отличие от угольных нитей, стержень Нернста не сгорал на воздухе, что позволяло использовать лампу без стеклянного баллона. Хотя лампа Нернста не получила широкого распространения из-за низкой эффективности, она стала важным шагом в развитии электрического освещения.

Другие работы

Нернст внёс вклад в фотохимию, предложив в 1918 году «цепной механизм» фотохимических реакций (правило Нернста — Эйнштейна). Он также изучал свойства растворов при высоких давлениях, теорию гальванических элементов и процессы диффузии. В 1918 году Нернст разработал метод синтеза аммиака из азота и водорода при высоком давлении (процесс Габера — Боша), который позже был усовершенствован Фрицем Габером.

Признание и награды

• Нобелевская премия по химии (1920) — «за работы в области термохимии».
• Медаль Хьюза (1912) — за вклад в электрохимию.
• Орден «За заслуги» (1925) — высшая гражданская награда Германии.
• Иностранный член Лондонского королевского общества (1922), Американской академии искусств и наук (1925) и других академий.

Личная жизнь

В 1892 году Нернст женился на Эмме Лёве, дочери профессора медицины. В семье родилось двое сыновей и дочь. Нернст был известен своим остроумием и любовью к музыке, играл на виолончели. В свободное время занимался садоводством и виноделием.

Память

• Именем Нернста названа единица измерения электрической проводимости (нёрнст) в системе СГС, а также уравнение Нернста и теорема Нернста.
• В честь учёного назван кратер на Луне (Нернст) и астероид (2479 Нернст).
• В 1964 году, к 100-летию со дня рождения, в ГДР была выпущена почтовая марка с изображением Нернста.
• В Гёттингене и Берлине установлены мемориальные доски на зданиях, где работал учёный.

Источники

• Нернст В. Теоретическая химия с точки зрения закона Авогадро и термодинамики. — СПб., 1904.
• Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия. — М.: Прогресс, 1992.
• Храмов Ю. А. Физики: Биографический справочник. — М.: Наука, 1983.
• К. Менделеев. Вальтер Нернст и его вклад в физическую химию. — М.: Изд-во АН СССР, 1964.