Создание аппарата физической химии

Нернст Вальтер Фридрих Герман (Nernst, Walther Hermann) – немецкий физик и физико-химик, один из основоположников физической химии. Родился 25 июня 1864 года в Бризене, городке Восточной Пруссии (теперь Вомбжезьно, Польша). Нернст был третьим ребенком в семье прусского судьи по гражданским делам Густава Нернста и Оттилии (Нергер) Нернст. В гимназии в Грауденце он изучал естественные науки, литературу и классические языки и в 1883 г окончил её первым учеником в классе. Нернст хотел стать поэтом, но его учитель химии пробудил в нем интерес к наукам.

С 1883 по 1887 г Нернст изучал физику в университетах Цюриха (у Генриха Вебера), Берлина (у Германа фон Гельмгольца), Граца (у Людвига Больцмана) и Вюрцбурга (у Фридриха В.Г. Кольрауша) Больцман, который придавал большое значение толкованию природных явлений, исходя из теории атомного строения вещества, побудил Нернста заняться изучением смешанного воздействия магнетизма и теплоты на электрический ток Работа, проделанная под руководством Кольрауша, привела к открытию: металлический проводник, нагретый с одного конца и расположенный перпендикулярно электрическому полю, генерирует электрический ток. За проведенное исследование Нернст в 1887 г получил докторскую степень.

    В Лейпциге Нернст работал и над теоретическими, и над практическими проблемами физической химии. В 1888 и 1889 гг. он изучал поведение электролитов (растворов электрически заряженных частиц, или ионов) при пропускании электрического тока и открыл фундаментальный закон, известный как уравнение Нернста. Закон устанавливает зависимость между электродвижущей силой (разностью потенциалов) и ионной концентрацией. Уравнение Нернста позволяет предсказать максимальный рабочий потенциал, который может быть получен в результате электрохимического взаимодействия (например, максимальную разность потенциалов химической батареи), когда известны только простейшие физические показатели: давление и температура. Таким образом, этот закон связывает термодинамику с электрохимической теорией в области решения проблем, касающихся сильно разбавленных растворов. Благодаря этой работе 25-летний Нернст завоевал всемирное признание.

            Им развита теория электродвижущих сил в растворах с локальным изменением концентрации, теория электролитического растворения металлов и электродных и диффузных потенциалов, диффузная теория кинетики гетерогенных химических реакций на границе распределения фаз, а также создан свинцовый аккумулятор и сконструирован источник излучения (лампа Нернста, в которой стержни накаливания были изготовлены из окислов циркония, тория, иттрия). Широко известен также закон распределения Нернста (1890).

          В 1890 - 1891 гг. Нернст занимался изучением веществ, которые при растворении в жидкостях не смешиваются друг с другом. Он развил свой закон распределения и охарактеризовал поведение этих веществ как функцию концентрации. Закон Генри, который описывает растворимость газа в жидкости, стал позднее известен как частный случай более общего закона Нернста. Закон распределения Нернста имеет важное значение для медицины и биологии, поскольку позволяет исследовать распределение веществ в различных частях живого организма.

      В 1891 г. Нернст был назначен адъюнкт-профессором физики в Гёттингенском университете. Два года спустя был опубликован написанный им учебник физической химии «Теоретическая химия с точки зрения закона Авогадро и термодинамики», который выдержал 15 переизданий и служил более трех десятилетий.

Считая себя физиком, занимающимся химией, Нернст определил новый предмет физической химии как «пересечение двух наук, до сих пор в определенной степени независимых друг от друга».

          В основу физической химии Нернст положил гипотезу итальянского химика Амедео Авогадро, считавшего, что в равных объемах любых газов всегда содержится одинаковое число молекул. Нернст назвал её «рогом изобилия» молекулярной теории. Не меньшее значение имел термодинамический закон сохранения энергии, который лежит в основе всех естественных процессов. Нернст подчеркивал, что основы физической химии заключаются в применении этих двух главных принципов к решению научных проблем.

            В 1892 г. Нернст женился на Эмме Лохмейер, дочери известного в Гёттингене хирурга. У них было два сына (оба погибли во время первой мировой войны) и дочь. Человек с ярко выраженной индивидуальностью, Нернст страстно любил жизнь, умел остроумно шутить. Через всю свою жизнь он пронёс увлечённость литературой и театром, особенно он преклонялся перед творениями Шекспира. Прекрасный организатор научных институтов, Нернст помог созвать первую Сольвейскую конференцию, основать Германское электрохимическое общество и Институт кайзера Вильгельма.

          В 1894 г. Нернст стал профессором физической химии в Гёттингенском университете и создал Институт физической химии и электрохимии кайзера Вильгельма. Вместе с присоединившейся к нему группой учёных из разных стран он занимался там изучением таких проблем, как поляризация, диэлектрические константы и химическое равновесие.

         В 1905 г. Нернст покинул Гёттинген, чтобы занять пост директора второго университетского Института химии (первым руководил Э. Фишер) в Берлине и руководил им до 1922г.

В 1906 году он сформулировал свою «тепловую теорему», известную теперь как третье начало термодинамики: энтропия однородного тела при абсолютном нуле температуры равна нулю (теорема Нернста). Эта теорема позволяет воспользоваться тепловыми данными для расчета химического равновесия – иными словами, предсказать, как далеко пойдет данная реакция, прежде чем будет достигнуто равновесие. В течение последующего десятилетия Нернст отстаивал, постоянно проверяя, правильность своей теоремы, которая позднее была использована в таких совершенно различных целях, как проверка квантовой теории и промышленный синтез аммиака – важный шаг в деле производства взрывчатых веществ.

     Основоположники термодинамики Клаузиус и Томсон пришли к выводу, что распространение её законов на всю вселенную приводит к признанию тепловой смерти вселенной. По этому вопросу Нернст писал: "В 1886 г., когда я был студентом в Граце, профессор Больцман произнёс в Венской Академии наук вступительную речь на тему о втором законе термодинамики. В ней он, между прочим, указывал, что все попытки спасти вселенную от так называемой "тепловой смерти" остались безуспешными и что он лично подобной попытки делать не будет. Это место его речи произвело на меня сильнейшее впечатление, и я всегда с тех пор стремился найти какой - либо выход из этого положения. Ибо, по существу, нельзя не сомневаться в том, что указанное следствие второго закона является весьма мало вероятным; и напротив, всякая естественно - научная теория космоса должна будет исходить из того, что вселенная, вопреки этому выводу из термодинамических учений, находится в стационарном состоянии, так что в среднем столько же звёзд исчезнет вследствие их потухания, сколько возгорается новых".

В 1911 г. Нернст ввёл понятие «квантование на вращательное движение частиц» и вместе с Ф.Линдеманом предложил формулу для расчетов теплоемкости твердого тела (формула Нернста-Линдемана).

     В 1912 г. Нернст, исходя из выведенного им теплового закона, обосновал недостижимость абсолютного нуля. «Невозможно, – сказал он, – создать тепловую машину, в которой температура вещества снижалась бы до абсолютного нуля». Исходя из этого заключения, Нернст предположил, что по мере того, как температура приближается к абсолютному нулю, возникает тенденция к исчезновению физической активности веществ. От третьего начала термодинамики зависит физика низких температур и физика твёрдого тела.

          Нернст ещё в молодости был автомобилистом-любителем и в годы первой мировой войны служил водителем в добровольном автомобильном дивизионе. Он также работал над созданием химического оружия, которое считал наиболее гуманным.

       Так получилось, что два немца, два нобелевских лауреата по химии (Нернст и Эмиль Фишер), получивших свои премии сразу же после окончания Первой мировой, во время войны вовсю занимались разработкой химического оружия.

        Сначала Нернст и Карл Дуйсбург загорелись идеей создать нелетальное химическое оружие, которое оказывало бы просто раздражающее действие на солдат противника и которое бы использовалось в артиллерийских снарядах. Получилось не очень, эффект был минимальным. Гранаты тоже работали плохо и пришлось обстреливать большим количеством раздражающего вещества из канистр.

     Под Верденом в июне 1916 года снаряды с дифосгеном, помеченные зеленым крестом, унесли жизни многих французов. Правда, если верить вдове Фрица Габера (второй жене нобелевского лауреата), «военным преступником» Нернста считают не за работы по химическому оружию, а за усовершенствование и доведение до массового военного применения огнеметов. Впрочем, ни один суд Нернста преступником не признавал.

      Чести будущему лауреату не добавляет и то, что этот способ был опробован на пленных. За это Нернст получил железный крест и был удостоен статьи в Берлинской газете. «И все заслуги и почести за химические исследования красуются на груди профессора и руководителя Берлинского университета Вальтера Нернста в виде почетного Железного креста I степени. […] И после него многие немецкие учёные и исследователи посвящали свое время разработке нового и необычного оружия для победоносной немецкой армии», – говорится в статье.

      Любопытно, что минимум двух энтузиастов химического оружия в Германии из числа нобелевских лауреатов, судьба наказала достаточно быстро: у Габера застрелилась первая жена, у Нернста на войне погибли оба его сына.

     Нернст получил в своё время прозвище Кронос, потому что он, как и греческий бог, готов был «поглотить» и своих сыновей, и учеников.

После войны Нернст вернулся в свою берлинскую лабораторию.

       В 1918 Нернст, пользуясь представлениями о цепных реакциях, дал объяснение механизма химического взаимодействия хлора с водородом.

           В 1921 г. учёному была вручена Нобелевская премия по химии, присужденная в 1920 г. «в признание его работ по термодинамике». В своей Нобелевской лекции Нернст сообщил, что «более 100 проведенных им экспериментальных исследований позволили собрать вполне достаточно данных, подтверждавших новую теорему с той безошибочностью, какую допускает точность временами очень сложных экспериментов».

         С 1922 по 1924 г. Нернст был президентом Имперского института прикладной физики в Йене, однако, когда послевоенная инфляция лишила его возможности осуществить в институте те изменения, которые ему хотелось провести, он вернулся в Берлинский университет в качестве профессора физики. Вплоть до конца своей профессиональной деятельности Нернст занимался изучением космологических проблем, возникших в результате открытия им третьего начала термодинамики (особенно так называемой тепловой смертью Вселенной, против которой он выступал), а также фотохимией и химической кинетикой.

         Нернст был прекрасным лектором. Его своеобразные лекции по неорганической химии были насыщены богатыми личными воспоминаниями и привлекали огромное количество слушателей. Нернста увлекали различные области практической жизни, литература. По словам А. Эйнштейна, "Нернст обладал чувством юмора в той мере, которая редко встречается у людей, так сильно загруженных столь трудной работой. Это была своеобразная личность, я никогда не встречал кого-либо, кто походил бы на него ".

          В 1924г. Нернст стал преемником М. Планка на посту директора Института физики Берлинского университета, где оставался до 1933г. Когда в 1933 г. Адольф Гитлер пришёл к власти, Нернст оказал сопротивление усилиям нацистов поставить под сомнение вклад Альберта Эйнштейна и других учёных-евреев, говоря своим коллегам, что антисемитизм Филиппа фон Ленарда, Йоханнеса Штарка и других будет препятствовать прогрессу в физике и химии.

             Нернст открыто выказывал нацистам свое неуважение, например, не пел на заседаниях Берлинской академии наук «Знамена ввысь» (она же песня Хорста Весселя, гимн Третьего Рейха).

        В 1934 г. Нернст вышел в отставку и поселился в своем доме в Лузатии.

Начавшаяся Вторая мировая уже не вызвала у него никакого энтузиазма, он не смог напрямую общаться с дочерьми, жившими в Бразилии и в Лондоне. Пришлось переписываться через посредника в Швейцарии (как Штирлиц). Но до окончания войны он не дожил, только до первого поражения Германии под Москвой. В 1939 году – инсульт, а 18 ноября 1941 года Нернст внезапно скончался от сердечною приступа.

         Последними его словами стали «Я всегда был за правду».

       Студенты Нернста воздержались от хвалебных некрологов: помимо своего участия в Газовой войне, в которой Нернст сыграл определённую роль, каждый, кто прошёл путь образования с ним, имел свои травмы. Вдова Нернста получила от Королевского общества в Лондоне, по пути через Швейцарию, письмо с соболезнованиями.

После кремации в Берлин-Вильмерсдорф урна оставалась до 1951 года в Обер-Цибелле, а после она была похоронена в семейной могиле на городском кладбище Гёттингена, в непосредственной близости от других известных учёных, таких как Макс Планк и Макс фон Лауэ.

Нернст был членом Берлинской академии наук и Лондонского королевского общества, почётным членом АН СССР (1927).

         Главная заслуга Нернста - создание теоретических построений и математического аппарата физической химии. Исходя из данного им определения удельного давления раствора и растворимости металлов, он создал теорию электродвижущих сил.

А. Эйнштейн назвал Нернста "одним из наиболее характерных и интересных учёных, обладающих очень редкой объективностью, удачным пониманием наиболее важного, гениальной страстью к познанию неведомого".

Рассказывают, что ...

• Нернст в часы досуга разводил карпов. Кто - то заметил ему: "Странный выбор. Кур разводить и то интересней". Автор третьего начала термодинамики Нернст невозмутимо ответил: "Я развожу таких животных, которые находятся в термодинамическом равновесии с окружающей средой. Разводить теплокровных - это значит обогревать на свои деньги мировое пространство".

• На столе у Нернста стояла пробирка с органическим соединением дифенилметаном, температура плавления которого 26°С. Если в 11 часов утра препарат таял, Нернст вздыхал:

• Против природы не попрёшь! И уводил студентов заниматься греблей и плаванием.

• Изобретённая Нернстом электрическая лампа бала популярна недолго - вскоре её вытеснила изобретённая Эдисоном лампочка, наполненная углекислым газом. Нернст, человек науки, внимательно выслушав Эдисона, который рассуждал о том, что над изобретением стоит работать лишь тогда, когда оно приносит доход, спросил, сколько тот, человек практики, заработал на своей лампочке. «Ни гроша», - ответил Эдисон. «А я получил 250 тысяч долларов» - ответил Нернст.

• А. Иоффе вспоминал: «С другим, чем у Планка, видом игры на рояле я встретился у Нернста. Совместно со знаменитой фирмой Бехштейн он разработал рояль, где звуки стальных струн усиливались вместо деревянной деки радиоусилителями... Не могу сказать, чтобы игра Нернста на таком инструменте доставляла мне эстетическое удовольствие, которое неизменно связано у меня с памятью об Эйнштейне, Эренфесте и Планке.
  

Насколько я мог заметить, приход химика Нернста на физическую кафедру Гельмгольца не встретил сочувствия других университетских физиков, которые держались в стороне от него, а он редко появлялся на коллоквиуме, который был средоточием берлинских физиков. Я пытался понять причину такого странного явления, как отстранение одного из самых выдающихся учёных, хотя бы и не чистого физика, но близкого к физической тематике - автора третьего начала термодинамики, теории концентрационных электродвижущих сил, химической энергии и многих других замечательных работ. Университетские физики отвечали, что их интересуют вопросы квантовой физики, на которые у Нернста нет ответов; беседы с ним возвращают, мол, назад, к физике доквантового периода. Но, видимо, дело было не в этом, потому что среди работ его учеников, которые он обсуждал со мною, были интересные проблемы электроники и электронных процессов в твёрдых телах. Он гораздо правиль¬нее, чем я, понимал электронный характер электрического пробоя. ... Не отрицая больших научных заслуг Нернста, ему не прощали откровенного стремления к карьере, титула «превосходительство», которого не имели ни Планк, ни Эйнштейн, ни Габер, миллиона, который ему удалось получить за «лампочку Нернста» со стерженьком из смеси окислов - лампочку, которая всё же себя не оправдала коммерчески. Рояль Нернста - Бехштейна тоже не понравился. Словом, считали, что Нернст использует свои научные заслуги для обогащения. ...

    Примерно в 1930 г. он сообщил мне, что представит меня на берлинскую кафедру физики, и, когда я, разумеется, указал на полную невозможность для меня, как советского учёного, оставить пределы своей родины, Нернст с возмущением сказал: «Но вы понимаете, что Берлин - это первая кафедра в мире? От неё не отказываются». Такое самомнение было широко распространено среди немецких учёных и имело, пожалуй, некоторое основание. Во время первой мировой войны Нернст в парадной форме генерала посетил бельгийских учёных, не почувствовав бестактности своего поступка. Впрочем, во всех своих высказываниях Нернст придерживался прогрессивных взглядов.

Видимо, годы, когда я знал Нернста, был, как и в случае Рентгена, периодом упадка его творческой деятельности, когда он жил своей прежней славой в богатой обстановке миллионера, ослаблявшей его былую энергию».