化学反应动力学研究的大师谢苗诺夫

 



    尼古拉依·尼古拉那维奇·谢苗诺犬是杰出的苏联化学家、是苏联化学界的学术带头人之一,是苏联建国后第一个获得诺贝尔奖的学者。

    十月革命以后:列宁领导下的第一个社会主义国家。广泛吸收各行各业的科学家参加和领导社会主义建设。例如,生理学家巴甫洛夫、化学家兹林斯基、物理学家约飞等知名学者,都曾被任命力教育或科研机构的重要领导人,同时,在列宁的关心和指导下,政府为科技人员创造了良好的工作条件和生活条件,在苏联建国初期物质条件极为艰苦的情况下,列宁还是设法给科技工作者以优厚的待遇,并把培养人才作为头等大事来抓,让老专家充分发挥作用,培养了一大批科学新秀。谢苗诺夫就是在这样的历史背景下成长起来的天才的科学家。

    1896年4月15日,谢苗诺夫出生于萨拉多夫。少年时代受过良好的教育,早在中小学阶段,他就对物理学和化学有着浓厚的兴趣,他学习认真,成绩优异。

    1917年,年仅21岁的谢苗诺夫,以优异的成绩毕业于彼得格勒大学数学力学系,他是著名的苏联物理学家约飞的学生和助手。这段大学生活为他打下了良好的数学和物理学基础,也为他以后在理论化学方面的深入研究创造了条件,使他的知识结构优于一般化学家。

    1920年到1930年,谢苗诺夫在约飞创办的列宁格勒技术物理研究所工作,被任命为列宁格勒化学物理所所长,同时,在列宁格勒工学院兼职任教,并从1928年起担任该学院的教授。1929年,他被选为苏联科学院的通讯院士,1932年彼选为正式院士。1944年,苏联科学院化学物理所迁到了莫斯科,作为该所所长的谢苗诺夫。也同时迁居莫斯科,并担任了以罗蒙诺索夫名字命名的国立莫斯科大学的教授。

    谢苗诺夫1947年加入苏联共产党, 1961—1966年担任苏联共产党中央委员会候补委员,他还是苏联最高苏维埃第五、六、七次代表大会代表。从1964年起,他担任苏维埃巴古什斯克地区委员会委员。在1957一1963年,谢苗诺夫担任苏联科学院化学学部的秘书,1963一1971年,担任化学学部的副秘书长。在1960年—1963年期间,他还兼任全苏社会知识学会的理事长、他还是苏联科学院主席团成员。

    谢苗诺夫非常成功地把研究工作、教学工作、科学团体的组织工作和社会活动紧密地结合起来,使四者互相促进、协同发展。谢苗诺夫因为在科学上的杰出贡献,曾多次获奖,许多外国科学院和科学团体把他选为院士或会员。他的专著《链式反应》和《论化学动力学某些问题和反应能力》等被各国翻译出版。这位苏联学者在全世界享有极高的声望。

    1956年,瑞典科学院和诺贝尔基金会,为了表彰谢苗诺夫和英国化学家欣谢乌德在化学反应动力学和反应历程研究中所取得的成就,让他两人分享了该年度的诺贝尔化学奖。谢苗诺夫是获得这种最高国际科学奖的第三位俄国学者,也是苏联建国后,第一位荣获这种奖的科学家。

    谢苗诺夫很早就研究化学动力学问题,1916年起他曾发表过这方面的多篇学术论文,论文中详尽地阐述了原子、分子的相互碰撞问题。此后,对化学反应动力学和化学反应历程的研究成了他科学活动的基础和中心。

    自从范霍夫1901年首次获得诺贝尔化学奖以后,经过了5年,这种科学的最高奖赏,重又颁发给研究化学反应动力学和化学反应历程的科学家,特别表彰了谢苗诺夫和欣谢乌德的科学贡献,说明化学反应动力学和化学反应历程一直是化学研究的重大课题。

    谢苗诺夫的科研工作,几乎全部用来研究化学反应历程和化学动力学问题,他对链式反应历程做了深入而全面的研究。链式反应的发现,标志着理论化学的研究进入到一个新的阶段。传统的化学,只注重反应物和产物的研究,对于反应物如何转变成产物,转变的复杂机制和过程则很少注意。德国化学家博登斯但在1913年曾提出链式反应的概念,用以解释氢和氯反应生成氯化氢的复杂过程,他认为,在这个反应过程中会生成某种“中间体”。但是,博登斯但提出的“链反应”和“中间体”说,还是一种假设和猜测。

    德国物理化学家能斯特在1916年,提出了氯化氢生成的链反应机理。他认为,在这个反应过程中,会形成作为“中间体”的自由基。

         Cl2——>2Cl·

        Cl· + H2 ——>HCl + H·

        H· +Cl2 ——> HCl + Cl·

        ……

    在以上链反应提出以后,有许多学者对此进行了进一步的深入研究。例如,威加特1922年曾用实验证明了链反应的存在,1923年克拉麦斯把链式反应的机理用于光化反应的研究。但是,在1927年以前,链反应在化学上还不具有普遍的意义,它仅仅被用来解释某些个别反应。

    1927年以后,谢苗诺夫系统地研究了链反应机理,他在此项研究中,曾试图对反应历程进行数学描述。谢苗诺夫认为,化学反应有着极为复杂的过程,在反应过程中有可能形成多种“中间产物”。在链式反应中,这种“中间产物”就是“自由基”,“自由基”的数量和活性决定着反应的方向、历程和形式。链反应不仅有简单的直链反应,还会形成复杂的“分支”,所以,谢苗诸夫还提出了“分支链式”反应的新概念。谢苗诺夫指出,链式反应有着普遍的意义和广泛的实用价值。在理论上,谢苗诺夫广泛地研究了各种类型的链式反应,提出了链式反应的普遍模式,他还试图用这种反应机理解释新发现的化学振荡现象。在应用上,谢苗诺夫把链式反应机理用于燃烧和爆炸过程的研究,揭示出燃烧和爆炸的联系和区别。指出,燃烧是缓慢的爆炸,爆炸则是激烈的燃烧,他还指出了燃烧和爆炸的机制。

    谢苗诺夫通过研究,丰富和发展了链式反应的理论,奠定了分支链式反应的理论基础和实验基础。他认为,不仅在链式反应的开始,而且在反应过程中,化学反应系统都会不断地产生活化质点,这些活化质点,会对反应进程产主影响,会使反应中出现许多分支,如同树叉一样,不断地分支扩展。活化质点的状态,还会影响到反应的进展情况,会使某些反应速度增大,而使另一些反应过程减漫或难以进行。

    谢苗诺夫用大量的实例证明,对化学反应过程和化学反应动力学的研究有重大的意义。他认为,化学反应过程是化学作为更复杂的科学区别于物理学的基础和标志。在化学过程中,物质要发生极为复杂的变化,而在物理过程中,物质的本性则没有发生或很少发生变化。因此,化学过程是比物理过程更复杂的过程。谢苗诺夫认为,在化学史上,在相当长的一段时间中,化学家只注重于化学的始态和终态的研究,而忽视了过程,使化学动力学和化学过程的研究,落后于其他领域的研究,例如,对化学过程的研究就不如对化学结构研究深入。他指出:“研究化学历程的理论的发展,比研究化学结构的理论的发展要曲折、复杂、困难得多。”

    谢苗诺夫在荣获诺贝尔奖金时,发表了著名的演讲,他在演讲中十分强调地指出:“在化学理论的研究方面,要大大加强对化学动力学和化学复杂过程的研究,从而进一步弄清化学反应历程,对化学反应逐步实现定量化。”他认为,“实现对各种化学反应速度和化学反应方向的精确定量的控制,这是化学理论研究的长远任务。可惜,到目前为止,在化学工艺的理论方面,还远远落后于无线电技术、电子学和原子物理学等其他方面的研究,在这些方面,工。艺过程在相当大的程度上建立在理论预见和定量计算的基础上。”为了使化学也和其他科学一样,实现严密的定量化,“链式反应理论“为解决这一问题,迈出了第一步。”

    谢苗诺夫在创立链式分支反应理论时,曾深入研究和采用了前人的研究成果,他认真考察和分析了历史上各位著名化学家提出链式反应的思想,同时,他还把这种研究和化学实验与化学工飞结合起来,成为理论联系实际的光辉范例。谢苗诺夫的链式分支反应理论,能够正确他说明、链式反应如何开始,如何进行以及反应过程中的复杂变化和可能的方向。向时,还能得出关反应速度的许多有价值的绪论。在谢苗诺大的链式分支反应理论的指导下,甚至还能做到调控反应过程,使化学反应在希望的方向上进行,所以,他的这一辉煌成果,不仅可用来指导完善现有的化学工艺,而且还可以指导研究新的化学工艺。因此;化学家们一致认为:“谢苗诺夫的分支链式反应理论是理论化学研究的一个里程碑。”

    谢苗诺夫的理论深化了人们对复杂化学过程的认识,揭示了化学过程不同于物理过程的本质,指明了化学反应复杂过程的过程和机理,这在认识论和方法论上也有重大的意义,谢苗诺夫及把理论研究和应用研究有机地统一起来,促进了科学的进步和技术的发展。

    谢苗诺夫倡导各种不同专业的科学家互相协作,他认为,化学理论的研究,应当和其他自然科学互相联系、互相渗透、要积极采用其它自然科学的理论方法,特别要注意积极采用数学和物理学的理论方法。他还指出,各种专家协同研究重大课题,对新技术革命和科学的未来具有重大意义。

    作为一个世界著名的科学家,谢苗诺夫曾多次强调科学要为人类的幸福和社会的进步服务,主张防止把科学成果用于危害人类的安全。他在荣获诺贝尔奖金时发表的演讲的最后,向全世界科学家们呼吁,“世界科学家共同努力,要使科学为世界的进步利益和人类的幸福,做出积极贡献。”

    谢苗诺夫还是一位出色的教育家,他的教育思想和他的科学思想是一致的,主张理论联系实际。他要求他的学生和其他青年科技工作者,无论是做教学工作的还是敞研究工作的,都不应把自己死死地限制在课堂上或者实验室里,要做到理论联系实际,要努力解决国家和民族最急需最紧迫的问题,要使科学成果迅速转化为直接生产力。