能斯特（化學家）

人物簡介

瓦爾特·赫爾曼·能斯特（Walther Hermann Nernst），1864年6月25日生于西普魯士的布里森，1941年11月18日卒于齊貝勒（Zibelle），德國物理化學家。1887年畢業(yè)于維爾茨堡大學，并獲博士學位，在那里，他認識了阿侖尼烏斯，并把他推薦給奧斯特瓦爾德當助手。第二年，他得出了電極電勢與溶液濃度的關(guān)系式，即能斯特方程。能斯特是一位法官的兒子。他誕生地點離哥白尼誕生地僅20英里。1887年獲維爾茨堡大學博士學位，后來當了奧斯特瓦爾德的助手。1889年他作為一個25歲的青年在物理化學上初露頭角，他將熱力學原理應(yīng)用到了電池上。這是自伏打在將近一個世紀以前發(fā)明電池以來，第一次有人能對電池產(chǎn)生電勢作出合理解釋。他推導出一個簡單公式，通常稱之為能斯特方程。這個方程將電池的電勢同電池的各個性質(zhì)聯(lián)系起來。能斯特的解釋已為其他更好的解釋所代替，但他的方程沿用至今。

任教生涯

能斯特自1890年起成為格廷根大學的化學教授，1904年任柏林大學物理化學教授，后來被任命為那里的實驗物理研究所所長（1924—1933）。1933年他因不受納粹的歡迎退休回到鄉(xiāng)間別墅莊園，并死在那里。他先后在格丁根大學和柏林大學任教，他的研究成果很多，主要有：發(fā)明了聞名于世的白熾燈（能斯特燈），建議用鉑氫電極為零電位電極、能斯特方程、能斯特熱定理（即熱力學第三定律），低溫下固體比熱測定等，因而獲1920年諾貝爾化學獎。他把成績的取得歸功于導師奧斯特瓦爾德的培養(yǎng)，因而自己也毫無保留地把知識傳給學生，先后有三位諾貝爾物理獎獲得者（米利肯1923，安德森1936年，格拉澤1960年）。師徒五代相傳是諾貝爾獎史上空前的。由于納粹迫害，能斯特于1933年離職，1941年11月18日在德逝世，終年77歲，1951年，他的骨灰移葬格丁根大學。

人物歷史

能斯特生于西普魯士（WestPrussia）的貝利森（Briesen）（今波蘭境內(nèi)的萬布熱伊諾（W?brze?no））。他在蘇黎世大學、柏林大學及卡爾·弗朗岑斯大學學習數(shù)學與物理學，去萊比錫工作了一段時間后，他在格丁根成立了物理化學與電化學研究所。1897年，能斯特發(fā)明了能斯特燈，一種使用白熾陶瓷棒的電燈，是碳絲燈的替代品和白熾燈的前身。能斯特研究過滲透壓及電化學，1905年，他確立了他稱之為“新熱定理”的定理，也就是后來的熱力學第三定律，這條定律描述了物質(zhì)接近絕對零度時的表現(xiàn)。他榮獲1920年的諾貝爾化學獎，這是對他的熱化學研究成果的肯定。他于1924年出任柏林物理化學研究所主任，并擔任此職位至1933年退休，接著開始研究電聲學和天體物理學。能斯特于1930年與貝希斯坦（C.Bechstein）及西門子公司合作開發(fā)了一種叫“新貝希斯坦之翼”（"Neo-Bechstein-Flügel"）的電子琴，這是世界上第一臺電鋼琴。當中用無線電放大器取代了發(fā)聲板。該電子琴使用了電磁感應(yīng)器以產(chǎn)生電子調(diào)解及放大的聲音，跟電吉他是一樣的。1891年任哥丁根大學物理化學教授。1905年任柏林大學教授。1925年起擔任柏林大學原子物理研究院院長。1932年被選為倫敦皇家學會會員。由于納粹政權(quán)的迫害，1933年退職，在農(nóng)村度過了他的晚年。1941年11月18日在柏林逝世。被葬于馬克斯·普朗克墓附近。

研究方面

能斯特的研究主要在熱力學方面。1889年，他提出溶解壓假說，從熱力學導出了電極勢與溶液濃度的關(guān)系式，即電化學中著名的能斯特方程。同年，還引入溶度積這個重要概念，用來解釋沉淀反應(yīng)。泵吸循環(huán)期間與氧分壓的關(guān)系他用量子理論的觀點研究低溫現(xiàn)象的研究，得出了光化學的"原子鏈式反應(yīng)"理論。1906年，根據(jù)對低溫現(xiàn)象的研究，得出了熱力學第三定律，人們稱之為"能斯特熱定理"，這個定理有效地解決了計算平衡常數(shù)問題和許多工業(yè)生產(chǎn)難題。因此獲得了1920年諾貝爾化學獎。此外，還研制出含氧化鋯及其氧化物發(fā)光劑的白熾電燈；設(shè)計出用指示劑測定介電常數(shù)、離子水化度和酸堿度的方法；發(fā)展了分解和接觸電勢、鈀電極性狀和神經(jīng)刺激理論。能斯特的主要著作有：《新熱定律的理論與實驗基礎(chǔ)》等。

方程

在電化學中，能斯特（Nernst）方程用來計算電極上相對于標準電勢（E0）來說的指定氧化還原對的平衡電壓(E)。能斯特方程只能在氧化還原對中兩種物質(zhì)同時存在時才有意義。在常溫下（25°C=298.15K），有以下關(guān)系式：能斯特能斯特因此，能斯特方程可以被簡化為：能斯特在25°C：能斯特能斯特R是理想氣體常數(shù)，等于8.314570J.K-1.mol-1。T是溫度，單位開。a是氧化型和還原型化學物質(zhì)的活度（活度=濃度*活度系數(shù)），其中[ox]代表氧化型，[red]代表還原型。F是法拉第常數(shù)，1F等于96485C.mol-1。n是半反應(yīng)式的電子轉(zhuǎn)移數(shù)，單位mol。

方程歷史

能斯特方程命名于它的提出者德國化學家能斯特（WaltherNernst）。沃爾特.H.能斯特（WaltherH.Nernst）（1864-1941），1920年諾貝爾化學獎獲得者，以表彰他在熱化學方面的工作。他對化學熱力學的貢獻是建立起聯(lián)系化學能和原電池電極電位關(guān)系的方程式。

能斯特燈

他發(fā)明的能斯特燈，又稱能斯特發(fā)光體，是一種帶一條稀土金屬氧化物燈絲的固體輻射器，對紅外線光譜學十分重要。持續(xù)的歐姆加熱使得燈絲在導電時發(fā)光。發(fā)光體于2至14微米波長下操作效果最理想。硅碳棒和能斯特燈所發(fā)出的光不是單色光，發(fā)射的是連續(xù)的紅外光帶。

第三定律

化學熱力學，主要是吉布斯和范特霍夫（J.H.vantHoff）在19世紀后半期建立起來的；這一領(lǐng)域后來由德國化學家W·能斯特于1906年提出的熱力學第三定律而得到發(fā)展。1906年，他的主要工作是在熱力學方面，企圖從測定比熱和反應(yīng)熱來預測化學反應(yīng)過程的結(jié)果。如果反應(yīng)是吸熱的，那么所吸熱量將隨溫度下降而下降，達到絕對零度時吸熱量將變?yōu)榱?。能斯特假定在絕對零度時這種減少發(fā)生的速度也變?yōu)榱?。作為其結(jié)果引出了能斯特熱定理，它表明如果反應(yīng)在絕對零度時在純粹的結(jié)晶固體之間發(fā)生，那么熵就沒有變化。若以稍許不同的形式加以敘述，這個定理現(xiàn)在通稱為熱力學第三定律。它和“絕對零度不可能通過有限的步驟達到”這一說法是等價的。這時候可以計算熵的絕對值（和平衡常數(shù)的值），而不能計算熵的變化?，F(xiàn)在大家知道這是粒子的量子統(tǒng)計力學的結(jié)果。由于他在熱力學方面的工作，能斯特獲得了1920年諾貝爾化學獎。第三定律的提出是試圖由熱力學數(shù)據(jù)尋求計算化學平衡常數(shù)K的值?；瘜W反應(yīng)的驅(qū)動力，即各種物質(zhì)的親和力，總是調(diào)節(jié)著初始產(chǎn)物與最終產(chǎn)物間的平衡。大家已經(jīng)知道，親和力不等于反應(yīng)熱，而等于可逆反應(yīng)中得到的最大有效功。這個量也叫熱力勢，吉布斯用△G表示，它是隨溫度而變的，如果知道了反應(yīng)體系的焓，△H的變化，便可計算出熱力勢。從熱力學第一定律和第二定律就可以看出這種聯(lián)系。熱力學第一定律是著名的能量守恒定律，它挫敗了建立永動機的企圖。熱力學第二定律指出了封閉系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)變發(fā)生的方向并給出了熱機效率的極限值。但是這兩個定律還不足以計算熱力勢的絕對值。為了計算熱力勢的絕對值，就必須了解在任何給定溫度下的△G與△H的關(guān)系。能斯特原理僅給出了溫度高于絕對零度時的關(guān)系式?；谏倭繉嶒灁?shù)據(jù)，正如能斯特所說的“好像由于僥幸所致”，他便提出了大膽的理論，即[△H—△G]/T的極限值，在T=0的情況保??攣*0；式中T是絕對溫度。分數(shù)是表示熵的變化，即利用這種關(guān)系的某一化學體系的性能。能斯特原理還意味著所有過程的發(fā)生，在絕對零度下并不引起熵的變化。這并不排除在T=0的情況下熵本身也許是負無窮大的可能性，如果在稍高的溫度下得到一極限值的話。普朗克（M.Planck）于1911年補充了這一定律。他假設(shè)情況不是這樣并作了如下論斷：對于每一化學組成為均相的固體或液體來說，它在絕對零度下的熵為零。要檢驗這一定律的有效性是不容易的。能斯特不得不親自收集大部分必需的數(shù)據(jù)，他提出的熱定理使人們有可能全面地測定比熱、轉(zhuǎn)變點和平衡。遺憾的是，在相當長的時間內(nèi)他使用了某種程度的不合理方法，因而雖然事實上支持他的理論數(shù)據(jù)逐漸積累起來了，但是他花了很長的時間才證明他的理論。量子理論的應(yīng)用，對他的理論的最后驗證起了決定性的作用。后來情況很清楚，通過形成能斯特原理和能斯特全面地測定了低溫下的比熱，他對化學的發(fā)展作出了具有根本性重要意義的貢獻。因而1921年授予他1920年的諾貝爾化學獎金，以“承認他在熱化學方面的成就?！?/p>

著作

1、WaltherNernst,《Reasoningoftheoreticalchemistry:Ninepapers(1889-1921)》(Ger.,BegründungderTheoretischenChemie:NeunAbhandlungen,1889-1921).FrankfurtamMain:VerlagHarriDeutsch,c.2003.ISBN3-8171-3290-52、WaltherNernst,《ThetheoreticalandexperimentalbasesoftheNewHeatTheorem》(Ger.,DietheoretischenundexperimentellenGrundlagendesneuenW?rmesatzes).Halle[Ger.]W.Knapp,1918[tr.1926].[ed.,thisisalistofthermodynamicalpapersfromthephysico-chemicalinstituteoftheUniversityofBerlin(1906-1916);TranlationavailablebyGuyBarr(LCCN27002575)])3、WaltherNernst,《TheoreticalchemistryfromthestandpointofAvogadro'sruleandthermodynamics》(Ger.,TheoretischeChemievomStandpunktederAvogadroschenRegelundderThermodynamik).Stuttgart,F.Enke,1893[5thediton,1923].LCCNpo28000417