瓦尔特·能斯特

物理化学家、化学史家

瓦尔特·能斯特(Walther Nernst),1864年6月25日生于西普鲁士的布里森(今 波兰 的瓦布雷兹诺);1941年11月18日卒于 柏林 附近的穆斯考。能斯特是一位德国物理学家,化学家。

1886年,能斯特获 维尔茨堡大学 博士学位。1887年,他在 莱比锡大学 成为 威廉·奥斯特瓦尔德 的助手,他们两人与范托夫、 斯万特·阿累尼乌斯 共同把 物理化学 创立为独立学科。1894年,任格廷根大学首席物理化学教授。1905-1924年,任柏林大学物理化学教授。1906年,他提出了所谓“热 定理 ”(即 热力学第三定律 )。1932年,当选为 伦敦皇家自然知识促进学会 会员。

1920年,瓦尔特·能斯特获 诺贝尔化学奖 。

人物简介

瓦尔特·赫尔曼·能斯特(Walther Hermann Nernst ),1864年6月25日生于西普鲁士的布里森,1941年11月18日卒于齐贝勒(Zibelle), 德国 物理化学家。

能斯特是一位法官的儿子。他诞生地点离 尼古拉·哥白尼 诞生地仅20英里。1887年获 维尔茨堡大学 博士学位,后来当了 威廉·奥斯特瓦尔德 的助手。1889年他作为一个25岁的青年在 物理化学 上初露头角,他将热力学原理应用到了电池上。这是自伏打在将近一个世纪以前发明电池以来,第一次有人能对电池产生 电势 作出合理解释。他推导出一个简单公式,通常称之为能斯特方程。这个 方程 将电池的电势同电池的各个性质联系起来。能斯特的解释已为其他更好的解释所代替,但他的方程沿用至今。

任教生涯

能斯特自1890年起成为 哥廷根大学 的 化学 教授,1904年任 柏林洪堡大学 物理化学教授,后 来被任命为那里的实验物理研究所所长(1924—1933)。1933年他因不受纳粹的欢迎退休回到乡间别墅庄园,并死在那里。

他先后在 格丁根大学 和柏林大学任教,他的研究成果很多,主要有:发明了闻名于世的 白炽灯 (能斯特灯),建议用铂氢电极为零 电势 电报、能斯特方程、能斯特热 定理 (即 热力学第三定律 ),低温下固体比热测定等,因而获1920年 诺贝尔化学奖 。

他把成绩的取得归功于导师 威廉·奥斯特瓦尔德 的培养,因而自己也毫无保留地把知识传给学生,先后有三位 诺贝尔物理学奖 获得者(米利肯1923,安德森1936年, 格拉泽 1960年)。师徒 五代十国 相传是 诺贝尔奖 史上空前的。由于纳粹迫害,能斯特于1933年离职,1941年11月18日在德逝世,终年77岁,1951年,他的骨灰移葬 哥廷根大学 。

人物历史

能斯特生于 西普鲁士 (WestPrussia)的贝利森(Briesen)(今 波兰 境内的万布热伊诺(Wąbrzeźno))。他在 苏黎世大学 、 柏林洪堡大学 及卡尔·弗朗岑斯大学学习数学与物理学,去 莱比锡市 工作了一段时间后,他在 哥廷根市 成立了物理化学与电化学研究所。1897年,能斯特发明了能斯特灯,一种使用白炽陶瓷棒的电灯,是碳丝灯的替代品和 白炽灯 的前身。能斯特研究过 渗透压 及电化学,1905年,他确立了 他称之为“新热定理”的定理,也就是后来的 热力学第三定律 ,这条定律描述了物质接近 绝对零度 时的表现。

他荣获1920年的 诺贝尔化学奖 ,这是对他的热化学研究成果的肯定。他于1924年出任柏林物理化学研究所主任,并担任此职位至1933年退休,接着开始研究电声学和天体物理学。

能斯特于1930年与 贝希斯坦 (C.Bechstein)及 西门子股份公司 合作开发了一种叫“新贝希斯坦之翼”("Neo-Bechstein-Flügel")的 电子琴 ,这是世界上第一台 电钢琴 。当中用 无线电 放大器取代了发声板。该电子琴使用了电磁感应器以产生电子调解及放大的声音,跟 电吉他 是一样的。

1891年任哥丁根大学 物理化学 教授。1905年任柏林大学教授。1925年起担任 柏林洪堡大学 原子物理研究院院长。1932年被选为伦敦皇家学会会员。由于纳粹政权的迫害,1933年退职,在农村度过了他的晚年。1941年11月18日在柏林逝世。被葬于 马克斯·普朗克 墓附近。

研究方面

能斯特的研究主要在热力学方面。1889年,他提出溶解压假说,从热力学导 出了电极势与溶液浓度的关系式,即电化学中著名的能斯特方程。同年,还引入溶度积这个重要概念,用来解释沉淀反应。

泵吸循环期间与氧分压的关系

他用量子理论的观点研究低温现象的研究,得出了光化学的"原子链式反应"理论。1906年,根据对低温现象的研究,得出了 热力学第三定律 ,人们称之为"能斯特热定理",这个定理有效地解决了计算平衡常数问题和许多工业生产难题。因此获得了1920年 诺贝尔化学奖 。

此外,还研制出含氧化 锆 及其 氧化物 发光剂的白炽电灯;设计出用 指示剂 测定 介电常数 、离子水化度和酸碱度的方法;发展了分解和接触 电势 、钯电极性状和神经刺激理论。

能斯特的主要著作有:《新热定律的理论与实验基础》等。

方程

在电化学中,能斯特( Nernst )方程用来计算电极上相对于标准电势(E0)来说的指定氧化还原对的平衡电压(E)。能斯特方程只能在氧化还原对中两种物质同时存在时才有意义。

在常温下(25°C=298.15K),有以下关系式:

能斯特 能斯特 因此,能斯特方程可以被简化为:

能斯特 在25°C:

能斯特

能斯特

R是 理想气体 常数 ,等于8.314570J.K-1. 摩尔 1。

T是温度,单位开。

a是氧化型和还原型化学物质的活度(活度=浓度*活度系数),其中[ox]代表氧化型,[ 红色 ]代表还原型。

F是 迈克尔·法拉第 常数,1F等于96485C.mol-1。

n是半反应式的电子转移数,单位mol。

方程历史

能斯特方程命名于它的提出者 德国 化学家能斯特(Walther Nernst )。沃尔特.H.能斯特(WaltherH.Nernst)(1864-1941),1920年 诺贝尔化学奖 ,以表彰他在热化学方面的工作。他对 化学 热力学的贡献是建立起联系化学能和原电池电极 电势 关系的方程式。

能斯特灯

他发明的能斯特灯,又称能斯特发光体,是一种带一条稀土金属 氧化物 灯丝的固体辐射器,对 红外线 光谱学十分重要。持续的欧姆加热使得灯丝在导电时发光。发光体于2至14微米波长下操作效果最理想。硅碳棒和能斯特灯所发出的光不是单色光,发射的是连续的红外光带。

第三定律

化学热力学,主要是 约西亚·吉布斯 和 范霍夫 (J.H.vantHoff)在19世纪后半期建立起来的;这一领域后来由 德国 化学家W·能斯特于1906年提出的 热力学第三定律 而得到发展。

1906年,他的主要工作是在热力学方面,企图从测定比热和反应热来预测化学反应过程的结果。如果反应是吸热的,那么所吸热量将随温度下降而下降,达到 绝对零度 时吸热量将变为零。能斯特假定在绝对零度时这种减少发生的速度也变为零。作为其结果引出了能斯特热定理,它表明如果反应在绝对零度时在纯粹的结晶固体之间发生,那么 就没有变化。

若以稍许不同的形式加以叙述,这个 定理 现在通称为热力学第三定律。它和“绝对零度不可能通过有限的步骤达到”这一说法是等价的。这时候可以计算熵的 绝对值 (和平衡常数的值),而不能计算熵的变化。现在大家知道这是粒子的量子统计力学的结果。由于他在热力学方面的工作,能斯特获得了1920年 诺贝尔化学奖 。

第三定律的提出是试图由热力学数据寻求计算化学平衡常数K的值。化学反应的驱动力,即各种物质的亲和力,总是调节着初始产物与最终产物间的平衡。大家已经知道,亲和力不等于反应热,而等于可逆反应中得到的最大有效功。这个量也叫热力势, 约西亚·吉布斯 用△G表示,它是随温度而变的,如果知道了反应体系的 ,△H的变化,便可计算出热力势。从 热力学第一定律 和第二定律就可以看出这种联系。热力学第一定律是著名的 能量守恒定律 ,它挫败了建立永动机的企图。 热力学第二定律 指出了封闭系统中能量转变发生的方向并给出了热机效率的极限值。

但是这两个定律还不足以计算热力势的 绝对值 。为了计算热力势的绝对值,就必须了解在任何给定温度下的△G与△H的关系。能斯特原理仅给出了温度高于 绝对零度 时的关系式。

基于少量实验数据,正如能斯特所说的“好像由于侥幸所致”,他便提出了大胆的理论,即[△H—△G]/T的极限值,在T=0的情况保??挛*0;式中T是 开尔文 。分数是表示熵的变化,即利用这种关系的某一 化学 体系的性能。能斯特原理还意味着所有过程的发生,在绝对零度下并不引起熵的变化。这并不排除在T=0的情况下熵本身也许是负无穷大的可能性,如果在稍高的温度下得到一极限值的话。 马克斯·普朗克 (M. Planck )于1911年补充了这一定律。他假设情况不是这样并作了如下论断:对于每一化学组成为均相的固体或液体来说,它在 绝对零度 下的熵为零。

要检验这一定律的有效性是不容易的。能斯特不得不亲自收集大部分必需的数据,他提出的热定理使人们有可能全面地测定比热、转变点和平衡。遗憾的是,在相当长的时间内他使用了某种程度的不合理方法,因而虽然事实上支持他的理论数据逐渐积累起来了,但是他花了很长的时间才证明他的理论。量子理论的应用,对他的理论的最后验证起了决定性的作用。后来情况很清楚,通过形成能斯特原理和能斯特全面地测定了低温下的比热,他对 化学 的发展作出了具有根本性重要意义的贡献。因而1921年授予他1920年的诺贝尔化学奖金,以“承认他在热化学方面的成就。”

著作

1、Walther Nernst ,《Reasoningoftheoreticalchemistry:Ninepapers(1889-1921)》(Ger.,BegründungderTheoretischenChemie:NeunAbhandlungen,1889-1921).FrankfurtamMain:VerlagHarri Deutsch ,c.2003.ISBN3-8171-3290-5

2、WaltherNernst,《ThetheoreticalandexperimentalbasesoftheNewHeatTheorem》(Ger.,DietheoretischenundexperimentellenGrundlagendesneuenWärmesatzes).Halle[Ger.]W.Knapp,1918[ tr. 1926].[ed.,thisisalistofthermodynamicalpapersfromthephysico-chemicalinstituteoftheUniversityof Berlin (1906-1916);TranlationavailablebyGuyBarr(LCCN27002575)])

3、Walther Nernst ,《Theoretical chemistry fromthestandpointofAvogadro'sruleandthermodynamics》(Ger.,TheoretischeChemievomStandpunktederAvogadroschenRegelundderThermodynamik). Stuttgart ,F.Enke,1893[5thediton,1923].LCCNpo28000417

参考资料