Walther Nernst werd in 1864 geboren in wat nu Polen is en studeerde niet alleen wetenschap. Hij hielp bij het uitvinden van het moderne begrip ervan. Deze Duitse natuurkundige en scheikundige was een van de belangrijkste architecten van de fysische chemie. Zijn werk overbrugde de kloof tussen abstracte energiewetten en tastbare chemische reacties.
Hiervoor won hij in 1920 de Nobelprijs voor de Scheikunde. Het ging specifiek om zijn warmtestelling. Wetenschappers noemen het nu de derde wet van de thermodynamica. Het veranderde de manier waarop we entropie op het absolute nulpunt begrijpen. Maar voordat hij Nobelprijswinnaar werd, was hij slechts een student die probeerde uit te vinden hoe elektriciteit door vloeistoffen beweegt.
Van student tot ionist
Nernst studeerde in heel Europa. Hij raakte de boeken in Zürich. Daarna verhuisde hij naar Graz. Uiteindelijk landde hij in Berlijn. In 1887 promoveerde hij in Würzburg.
Toen kwam Leipzig. Dit was de broeinest van nieuwe ideeën. Wilhelm Ostwald leidde daar de show. Samen met Jacobus van’t Hoff en Svante Arrhenius bouwde Ostwald aan de fundering van een nieuw veld. Ze concentreerden zich op oplossingen. Ze keken hoe elektriciteit en materie door hen heen bewogen.
Deze jongens noemden zichzelf de Ioner (of ionisten). Ze bewezen dat de fysische chemie op eigen benen stond. Het was niet alleen een tak van de natuurkunde of een subdiscipline van de algemene scheikunde. Het was zijn eigen beest.
Nernst dook erin. Hij berekende diffusiecoëfficiënten voor elektrolyten. Dit zijn zouten die zo dun in water zijn opgelost dat ze nauwelijks een interactie aangaan. Hij vond een verband tussen ionische mobiliteit en elektromotorische kracht. Hij publiceerde dit in zijn habilitatiescriptie uit 1889.
Dit werk leverde de Nernst-vergelijking op.
De Nernst-vergelijking verbindt de thermodynamica met de elektrochemische oplossingstheorie. Het blijft een fundamenteel hulpmiddel in de chemie.
Het was belangrijk genoeg om hem in 1891 een universitair hoofddocentschap in Göttingen te bezorgen.
Het leerboek en het instituut
In Göttingen schreef Nernst een enorm leerboek. Theoretische Chemie vom Standpunkte der Avogadroschen Regel und der Thermodynamik verscheen in 1893. Engelse lezers kenden het als Experimental and Theoretical Applications of Thermodynamics to Chemistry.
Hij benadrukte de wet van Avogadro. Hij benadrukte de thermodynamica. Hij betoogde dat je chemische processen niet zou kunnen behandelen zonder natuurkunde. Dat was destijds een gedurfd standpunt.
In 1894 kreeg hij aanbiedingen uit München en Giessen. Hij wees ze af. In plaats daarvan ging hij aan de slag bij het nieuw opgerichte Instituut voor Fysische Chemie en Elektrochemie in Göttingen. Het was het enige instituut in zijn soort in Duitsland.
Hij lanceerde een ambitieus programma. Hij keek naar chemische evenwichten. Hij bestudeerde de osmotische druk. Hij verdiepte zich in de oplossingstheorie. Hij was geobsedeerd door elektrochemie.
Maar hij had ook een bijbaantje. Een zeer winstgevende.
De Nernst-lamp en de Globar
Nernst was geobsedeerd door licht. Hij besteedde tien jaar aan het verbeteren van de gloeilamp. Hij mengde zirkoniumoxide met yttriumoxide. Hij ontdekte dat dit mengsel bij hoge temperaturen elektriciteit geleidde. Het straalde een helder wit licht uit.
Hij begon hiermee in 1897. Hij verwierf patenten in Europa en de VS. De Allgemeine Elektrizitätsgesellschaft (AEG) in Berlijn vervaardigde de Nernst-lamp. Duizenden van hen versierden het Duitse paviljoen op de Internationale Tentoonstelling van Parijs in 1900.
Het was een spektakel. Maar het ontwerp vertoonde een fout. Er was een voorverwarmingsmechanisme voor nodig. Zonder die vonk zou hij niet starten. De lampen hadden beperkt succes. Ze duurden niet eeuwig.
Toch overleefde de chemie.
Het apparaat werd bekend als de Nernst-glower. Of de Nernst-globar. Tegenwoordig wordt het niet gebruikt voor het verlichten van huizen. Het is een cruciaal instrument in tijdsopgeloste infraroodspectrofotometrie. Wetenschappers gebruiken het om chemische reacties in realtime te bestuderen.
De gloeilamp is defect. De wetenschap niet.
Nernst deed ook onderzoek naar metaaldraden. Zijn werk stimuleerde de ontwikkeling van moderne conventionele lampen. Hij heeft bijgedragen aan het bredere veld van diëlektrische lampen. Zijn nalatenschap is een mix van mislukte commerciële producten en fundamentele wetenschappelijke theorie.
Hij stierf in 1941 in Zibelle, Duitsland. Het land maakt nu deel uit van Polen. Hij liet een raamwerk achter voor het begrijpen van energie. En een kleine keramische staaf die scheikundigen helpt het onzichtbare te zien.
De derde wet en de onmogelijke nul
Max Nernst had zich net in zijn nieuwe rol in Berlijn gevestigd. Hij was professor, directeur van het Tweede Chemische Instituut en permanent lid van de Pruisische Academie van Wetenschappen. Het was 1906. Hij kondigde iets groots aan. Het hittetheorema. Later bekend als de derde wet van de thermodynamica.
De definitie is schoon. Entropie meet moleculaire wanorde. Het is de energie die een systeem niet kan gebruiken om werk te doen. Nernst zei dat als een gesloten systeem afkoelt, de entropie afneemt. Als de temperatuur het absolute nulpunt bereikt, minus 273,15 graden Celsius, bereikt de entropie nul.
Er is een vangst. De wet zegt ook dat je er eigenlijk nooit kunt komen.
Denk er eens over na. Om iets af te koelen, moet je warmte eruit halen. Maar naarmate het object kouder wordt, wordt het trekken van dat laatste beetje warmte exponentieel moeilijker. Je kunt dichtbij komen. Moderne laboratoria hebben dingen gekoeld tot een miljardste graad boven het absolute nulpunt. Maar de onderkant van de thermometer? Die muur is stevig. Je kunt het aanraken. Je kunt er nooit doorheen.
De integratiepuzzel oplossen
Waarom was dit van belang voor scheikundigen? Ze zaten vast.
Jarenlang probeerden wetenschappers chemische evenwichten te voorspellen met behulp van thermische metingen. Reactiehittes. Specifieke hitte. Ze wilden weten welke kant een reactie op zou gaan. Ze wilden weten wanneer het zou stoppen. Ze probeerden de eerste twee wetten van de thermodynamica te gebruiken. Het werkte niet.
De wiskunde was kapot. In het bijzonder de Gibbs-Helmholtz-vergelijking. Het relateert vrije energieverandering ($\Delta F$) aan warmte-inhoud ($\Delta H$) en entropie ($\Delta S$).
$$ \Delta F = \Delta H – T\Delta S $$
Om het op te lossen, moet je integreren. Integratie introduceert een constante. Een onbepaalde. Ze noemden het $J$. Het was een geest in de machine. Zonder $J$ te kennen, waren de berekeningen nutteloos. Ze hadden de variabelen, maar niet het laatste stukje van de puzzel.
Nernst zag het probleem anders. Hij keek naar wat er gebeurde met $\Delta F$ en $\Delta H$ nabij het absolute nulpunt.
Hij veronderstelde dat deze twee waarden samenkomen. Naarmate de temperatuur daalt, raken de curven voor vrije energie en warmte-inhoud elkaar. Ze lopen parallel. Het verschil tussen hen verdwijnt.
$$ \Delta F – \Delta H \pijl naar rechts 0 $$
Als het verschil nul is, wordt de wiskunde vereenvoudigd. De ongrijpbare constante $J$ kon eindelijk worden berekend met behulp van laboratoriummetingen. Calorimetrie. Warmtegegevens. De geest werd verbannen. Chemici konden nu reacties voorspellen met een precisie die nog nooit eerder had bestaan.
Het bewijs in de kou
De oorspronkelijke wet had grenzen. Het was van toepassing op gecondenseerde fasen. Vaste stoffen. Vloeistoffen.
Gassen waren lastiger. Nernst hield niet van grenzen. Hij wilde dat de wet overal zou gelden. Daarom besloot hij het op gassen te testen. Om dat te doen, moest hij ze in iets gecondenseerds veranderen. Hij moest ze invriezen.
Tussen 1905 en 1914 werd het Berlijnse instituut een koudefabriek. Nernst, zijn studenten en zijn medewerkers bouwden vreemde, mooie machines. Waterstof vloeibaarmakers. Gespecialiseerde thermometers. Precisie-calorimeters. Ze werkten in de diepe kou en maten de soortelijke hitte van een lange lijst stoffen.
Het was niet alleen Nernst alleen met deze overwinning. De timing kwam overeen met een revolutie in de natuurkunde.
In 1907 publiceerde Albert Einstein een artikel. Hij gebruikte de kwantummechanica, de nieuwe theorie die voortkwam uit het werk van Max Planck in 1900. Einstein voorspelde dat de specifieke warmte van vaste stoffen tot nul zou dalen als de temperatuur het absolute nulpunt naderde.
De gegevens van Nernst kwamen overeen. Zijn empirische resultaten ondersteunden de kwantumhypothese. En de theorie van Einstein ondersteunde de hittestelling van Nernst.
Het was een wederzijdse versterking. De wiskunde werkte. De experimenten hebben het bewezen.
Deze connectie bracht Nernst naar het hart van de nieuwe natuurkundebeweging. Hij observeerde niet alleen. Hij organiseerde. Hij speelde een belangrijke rol bij het Eerste Solvay-congres in Brussel. November 1911. Een bijeenkomst van de knapste geesten van Europa om de kwantumhypothese te ontleden.
Nernst werd een vroege, uitgesproken voorstander van de kwantummechanica. Hij zag er de waarheid in. De derde wet was niet alleen een thermodynamische voetnoot. Het was een brug naar een nieuw begrip van hoe materie zich gedraagt aan de meest fundamentele, koudste rand.
Het werk ging door. De instrumenten verbeterden. De temperaturen daalden verder. Maar de grens bleef. De deur naar het absolute nulpunt bleef gesloten.
De Berlijnse jaren en de bestuurlijke macht
Nernst was niet zomaar een laboratoriumjasman. Tijdens de Eerste Wereldoorlog was hij diep verdiept in militair en administratief werk. Hij hield zich zelfs bezig met onderzoek naar chemische oorlogvoering. Het was een donkere periode. Zijn twee zonen kwamen om in het conflict.
De oorlog eindigde. Hij ging terug naar de academische wereld. De bezigheden waren gevarieerd. Fotosynthese. Astrofysica. Kosmologie. Hij bouwde ook een elektronische piano met luidsprekerversterking. De Neo-Bechsteinflügel. Het was een vreemde mix van kunst en wetenschap.
Zijn academische opkomst was steil. Vanaf 1905 was hij voorzitter van de afdeling fysische chemie van de Universiteit van Berlijn. In 1921 was hij rector van de school. Het jaar daarop leidde hij het nieuw opgerichte Instituut voor Experimentele Natuurkunde. Hij bekleedde deze posten tot zijn pensionering in 1933.
Administratieve rollen strekten zich uit tot buiten de universiteit. Nernst was tussen 1922 en 1924 voorzitter van het Duitse nationale bureau voor fysieke normen. Deze functies gaven hem aanzienlijke invloed op de wetenschappelijke normen en het onderwijs in Duitsland tijdens een turbulent tijdperk.
