Борис Петрович Никольский – профессор, специалист в областях физической и радиационной химии. Учёный известен как создатель теории ионного обмена стеклянных электродов. Попробуем разобраться, как произошло научное открытие и как на это повлиял «город трёх рыб».
Никольский и Саратов
В 1935 году в ходе репрессий из-за убийства С.М. Кирова и гонений на интеллигенцию Б.П. Никольского арестовывают и высылают в Саратов. Учёный получает временную работу на химическом факультете СГУ по приглашению профессора Г.К. Хворостина, который на тот момент являлся ректором университета.
Осенью того же года началась деятельность Бориса Петровича на посту заведующего кафедрой. Профессор занимался чтением лекций по потенциометрическому титрованию и проводил систематические исследования электродных свойств различных стёкол. Профессор зарекомендовал себя как хороший преподаватель и крупный учёный-специалист. Выпускники его кафедры достойно защитили дипломные работы и продолжили обучение в аспирантуре.
В военные годы происходит эвакуация ЛГУ и профессор вновь приезжает в Саратов. Б.П. Никольский становится заведующим объединённой кафедрой физической химии двух университетов. Под руководством профессора проводилась работа по закрытию потребностей в оборонной промышленности (участие в советском атомном проекте). Также продолжилась работа по изучению обменной способности почв, физико-химических основ обмена катионов в почвах и других ионитов.
Именно в саратовский период (1935-1939 гг.) была сформулирована «простая» ионообменная теория стеклянного электрода. Первой работой, где Б.П. Никольский отошёл от почвоведческих задач и занялся стеклянным электродом как инструментом химика-аналитика, была статья «О стеклянном электроде Габера», опубликованная в 1937 году.
О стеклянном электроде
Стеклянный электрод – важная часть pH-метра, который является инструментом для определения кислотности среды. Прибор применяется в науке, промышленности, сельском хозяйстве и медицине.
Стеклянный электрод состоит из следующих элементов:
- Стеклянная трубка, которая с одной стороны заканчивается шарообразной мембраной из специального стекла.
- Внутри трубки и мембраны находится раствор с определённым значением рН.
- Электрод сравнения. Обычно это хлорсеребряный или каломельный электрод, который погружён в внутренний раствор.
Внешняя и внутренняя поверхность стеклянной мембраны покрыта тонким слоем гидратированного геля. Он образуется в результате гидролиза стекла и вымывания ионов натрия и других катионов с его поверхности.
Состав стекла влияет на селективность электрода – его способность измерять активность определённых ионов. Например, стекло с 15% оксида лития (Li₂O), 25% оксида алюминия (Al₂O₃) и 60% оксида кремния (SiO₂) пригодно для измерения активности ионов лития, а стекло с 11% оксида натрия (Na₂O), 18% Al₂O₃ и 71% SiO₂ – для измерения активности ионов натрия.
Стеклянные электроды позволяют измерять концентрацию ионов водорода и металлов, а также определять их активность и структуру в растворах электролитов. Это необходимо для понимания закономерностей обменных процессов.
Ион водорода является очень активным и оказывает значительное влияние на большинство химических реакций. Изменение pH может привести к изменению направления или скорости реакции. Например, нормальный уровень pH крови человека составляет 7,3–7,4. При pH 7,2 в организме начинают происходить серьёзные нарушения, а при pH 7,1 – необратимые изменения. Такой уровень pH и даже ниже характерен для клеток, поражённых раком.
Оптимальный уровень pH почвы для выращивания картофеля составляет 5-5,5, для ржи – 6-7,5, а для пшеницы – 6,4-7,8. Выход за пределы этих диапазонов может значительно замедлить рост растений.
В промышленности несоблюдение оптимального уровня pH может привести к нерациональному использованию сырья, порче продуктов и преждевременному износу оборудования.
Уравнение Никольского
Теория Никольского говорит о том, что ионы (например, водород и натрий) могут обмениваться между раствором и изменённым верхним слоем стекла. Разница в электрическом напряжении между этими частями возникает из-за разницы в количестве ионов водорода или натрия. На основе этих идей и некоторых упрощений, было выведено «уравнение Никольского». Оно помогает понять, как работает стеклянный электрод и как он измеряет электрический потенциал (или напряжение) в растворе.
Согласно уравнению Никольского в кислых и нейтральных растворах (когда значение активности водорода больше произведения константы обмена ионов и активности натрия), уравнение упрощается до классической формы Нернста. А в сильнощелочных растворах (когда произведение больше значения активности водорода), электрод функционирует как натриевый, и его потенциал определяется только активностью ионов Na⁺
Текст: Арслан Эрендженов
#наукабудущего
#наукамолодых
#медиакод