À ma demande instante, on m'a montré le laboratoire Curie, dans lequel le radium avait été découvert peu de temps auparavant. Les Curie eux-mêmes étaient absents en voyage. C'était un croisement entre une étable et une cave à pommes de terre, et si je n'avais pas vu la table de travail avec l'appareillage chimique, j'aurais cru à une farce.
Friedrich Wilhelm Ostwald était un chimiste et philosophe allemand de la Baltique. Ostwald est reconnu comme l'un des fondateurs du domaine de la chimie physique, aux côtés de Jacobus Henricus van 't Hoff, Walther Nernst et Svante Arrhenius. Il a reçu le Prix Nobel de chimie en 1909 pour ses contributions scientifiques aux domaines de la catalyse, des équilibres chimiques et des vitesses de réaction.
Après sa retraite en 1906 de la vie académique, Ostwald s'est beaucoup impliqué dans la philosophie, l'art et la politique. Il a apporté des contributions significatives à chacun de ces domaines. Ostwald a été décrit comme un polymathe.
Enfance et éducation
Ostwald est né d'origine allemande de la Baltique à Riga, de père Gottfried Wilhelm Ostwald 1824–1903, maître-tonnelier, et de mère Elisabeth Leuckel 1824–1903. Il était l'enfant du milieu de trois enfants, né après Eugen 1851–1932 et avant Gottfried 1855–1918. Ostwald a développé un intérêt pour la science dès l'enfance et a mené des expériences à domicile, particulièrement liées aux feux d'artifice et à la photographie.
Ostwald a commencé ses études à l'Université de Dorpat, Estonie, actuellement l'Université de Tartu en 1872. Il a complété ses examens Kandidatenschrift en 1875. Durant son séjour à Dorpat, Ostwald a été largement exposé aux sciences humaines, aux arts et à la philosophie, qui sont devenus un foyer de ses efforts après sa retraite en 1906 du monde académique.
Carrière académique
Ostwald a commencé sa carrière en tant qu'investigateur indépendant non rémunéré à l'Université de Dorpat en 1875. Il a travaillé dans le laboratoire de Carl Schmidt, aux côtés de son contemporain Johann Lemberg. Lemberg a enseigné à Ostwald les bases de l'analyse des composés inorganiques et la mesure des équilibres et des vitesses de réaction chimique. Lemberg a également enseigné à Ostwald la base chimique de nombreux phénomènes géologiques. Ces efforts ont fait partie des sujets des efforts de recherche ultérieurs d'Ostwald. En plus de son travail au laboratoire de Carl Schmidt, Ostwald a également étudié à l'institut de physique de l'université avec Arthur von Oettingen.
Vers 1877, tout en continuant son travail en tant qu'investigateur non rémunéré au Laboratoire de chimie de l'Université de Dorpat, Ostwald est devenu assistant rémunéré à l'Institut de physique, après que l'assistant d'Oettingen ait déménagé à Riga. Il s'est également soutenu pendant un certain temps en enseignant les mathématiques et les sciences dans un lycée de Dorpat.
Ostwald s'intéressait profondément aux questions d'affinité chimique et aux réactions qui formaient les composés chimiques. C'était la question théorique centrale à laquelle les chimistes étaient confrontés à l'époque. Dans le cadre de ses travaux précoces, Ostwald a développé un tableau d'affinité tridimensionnel qui tenait compte des effets de la température ainsi que des constantes d'affinité des acides et des bases. Ostwald a également enquêté sur l'action de masse, l'électrochimie et la dynamique chimique.
Ostwald a complété son diplôme de maîtrise à l'Université de Dorpat en 1877, ce qui lui a permis de donner des cours et de facturer pour l'enseignement. Ostwald a publié sa dissertation de doctorat à l'Université de Dorpat en 1878, avec Carl Schmidt comme directeur de thèse. Sa thèse de doctorat avait pour titre Volumchemische und Optisch-Chemische Studien « Études volumétriques et chimiques-optiques ». En 1879, il est devenu assistant rémunéré de Carl Schmidt.
En 1881, Ostwald est devenu professeur de chimie au Riga Polytechnicum, actuellement Riga Technical University. En 1887, il a déménagé à l'Université de Leipzig où il est devenu professeur de chimie physique. Ostwald est resté à la faculté de l'Université de Leipzig jusqu'à sa retraite en 1906. Il a également servi en tant que premier « professeur en échange » à l'Université Harvard en 1904 et 1905.
Au cours de sa carrière académique, Ostwald a eu de nombreux étudiants en recherche qui sont devenus des scientifiques accomplis à part entière. Ceux-ci comprenaient les futurs lauréats du Prix Nobel Svante Arrhenius, Jacobus Henricus van 't Hoff et Walther Nernst. D'autres étudiants comprenaient Arthur Noyes, Willis Rodney Whitney et Kikunae Ikeda. Tous ces étudiants se sont distingués par leurs contributions à la chimie physique.
En 1901, Albert Einstein a posé sa candidature pour un poste de chercheur dans le laboratoire d'Ostwald. C'était quatre ans avant la publication d'Einstein sur la relativité restreinte. Ostwald a rejeté la candidature d'Einstein, bien que par la suite les deux ont développé un respect mutuel fort. Par la suite, Ostwald a nominé Einstein pour le Prix Nobel en 1910 et à nouveau en 1913.
Après sa retraite en 1906, Ostwald est devenu actif dans la philosophie, la politique et autres sciences humaines.
Au cours de sa carrière académique, Ostwald a publié plus de 500 articles de recherche originaux pour la littérature scientifique et environ 45 livres.
Contributions scientifiques
Procédé de l'acide nitrique
Ostwald a inventé un procédé pour la fabrication économique de l'acide nitrique par oxydation de l'ammoniaque. Il a obtenu des brevets pour ce procédé. Le brevet d'Ostwald utilisait un catalyseur et décrivait les conditions sous lesquelles le rendement de l'acide nitrique était proche de la limite théorique. Des aspects du procédé de base avaient également été brevetés environ 64 ans plus tôt par Kuhlmann. Le procédé de Kuhlmann n'est pas devenu industriellement significatif, probablement en raison du manque d'une source économique d'ammoniaque. Peu après la découverte d'Ostwald, l'ammoniaque bon marché est devenue disponible suite à l'invention du procédé de fixation de l'azote par Haber et Bosch, procédé de synthèse d'ammoniaque terminé en 1911 ou 1913. La combinaison de ces deux percées a bientôt mené à une production plus économique et à plus grande échelle d'engrais et d'explosifs, dont l'Allemagne était en pénurie pendant la Première Guerre mondiale. Le procédé est souvent désigné sous le nom de Procédé Ostwald. Le procédé reste largement utilisé à l'époque contemporaine pour la fabrication de l'acide nitrique.
Loi de dilution d'Ostwald
Ostwald a également mené des recherches significatives sur la théorie de la dilution conduisant à sa conceptualisation de la loi de dilution qui est parfois désignée sous le nom de « Loi de dilution d'Ostwald ». Cette théorie stipule que le comportement d'un électrolyte faible suit les principes d'action de masse, étant largement dissocié à dilution infinie. Cette caractéristique des électrolytes faibles peut être observée expérimentalement, par exemple par des déterminations électrochimiques.
Catalyse
Par sa recherche sur les vitesses et les vélocités de réaction chimique et ses études sur les acides et les bases, Ostwald a découvert que la concentration d'acide ou la concentration de base dans une solution de certains réactifs chimiques peut avoir une forte influence sur la vitesse des processus chimiques. Il a réalisé que c'était une manifestation du concept de catalyse chimique articué pour la première fois par Berzelius. Ostwald a articulé l'idée qu'un catalyseur est une substance qui accélère la vitesse d'une réaction chimique sans être une partie des réactifs ou des produits. Les avancées d'Ostwald dans la compréhension de la catalyse chimique ont été largement applicables dans les processus biologiques tels que la catalyse enzymatique et aussi dans de nombreux processus industriels. Un catalyseur est utilisé dans le procédé de l'acide nitrique qu'Ostwald a inventé.
Cristallisation
Ostwald a étudié le comportement de cristallisation des solides, en particulier ceux capable de cristalliser sous différentes formes, dans le phénomène connu sous le nom de polymorphisme. Il a découvert que les solides ne cristallisent pas nécessairement sous leur forme la plus thermodynamiquement stable, mais cristallisent parfois préférentiellement sous d'autres formes en fonction des vitesses de cristallisation relatives de chaque forme polymorphe. Ostwald a découvert que les vitesses relatives dépendaient de la tension superficielle entre le polymorph solide et la forme liquide. De nombreux matériaux courants présentent ce type de comportement, notamment les minéraux et divers composés organiques. Cette découverte est venue à être connue sous le nom de Règle d'Ostwald.
Ostwald a réalisé que les solutions solides ou liquides peuvent continuer à évoluer au fil du temps. Bien qu'un polymorph non préféré thermodynamiquement peut cristalliser en premier, des formes plus thermodynamiquement stables peuvent continuer à se développer à mesure que la solution vieillit. Souvent, cela entraîne la formation de grands cristaux, car ils sont plus thermodynamiquement stables que de grands nombres de petits cristaux. Ce phénomène est devenu connu sous le nom de Mûrissement d'Ostwald et est observé dans de nombreuses situations. Un exemple quotidien est la texture granuleuse que la crème glacée développe en vieillissant. À l'échelle géologique, de nombreux minéraux présentent un Mûrissement d'Ostwald à mesure que leurs formes cristallines évoluent au viellissement du minéral.
Lié à la solubilité et à la cristallisation était la découverte d'Ostwald selon laquelle la dissolution d'un solide dépend de la taille du cristal. Lorsque les cristaux sont petits, généralement moins d'un micron, la solubilité du solide dans la phase de solution est augmentée. Ostwald a quantifié cet effet mathématiquement dans une relation qui est devenue connue sous le nom d'équation Ostwald-Freundlich. Ostwald a d'abord publié sa découverte en 1900, et son équation mathématique a été affinée par le chimiste allemand Herbert Freundlich en 1909. Cette relation mathématique s'applique également à la pression partielle d'une substance dans le système. L'équation Ostwald-Freundlich tient compte de la tension superficielle de la particule dans le système, en plus de la courbure et de la température. La dépendance de la solubilité à la taille est parfois utilisée dans la formulation de produits pharmaceutiques ayant une faible solubilité afin d'améliorer leur absorption par le patient. La dépendance à la taille a également un rôle dans le Mûrissement d'Ostwald.
En collaboration avec le chimiste allemand Raphael E. Liesegang, Ostwald a reconnu que les substances peuvent cristalliser de manière périodique où le comportement de cristallisation suit un motif spatial ou temporel. Dans certaines circonstances, le résultat de ce comportement de cristallisation périodique est facilement observé visuellement, par exemple, dans diverses formations géologiques. Liesegang avait précédemment enquêté sur ce phénomène dans des expériences de laboratoire spécifiques, montrant ses résultats à Ostwald. Ostwald a ensuite développé un modèle mathématique pour le phénomène qui a servi à expliquer les observations et a réalisé à quel point le comportement de cristallisation périodique est répandu. Ces observations sont devenues connues sous le nom d'Anneaux de Liesegang.
Théorie atomique
Ostwald a introduit le mot mole dans le lexique de la chimie vers 1900. Il a défini une mole comme le poids moléculaire d'une substance en unités de masse en grammes. Le concept était lié au gaz idéal, selon Ostwald. Ironiquement, le développement par Ostwald du concept de mole était directement lié à son opposition philosophique à la théorie atomique, contre laquelle lui et Ernst Mach figuraient parmi les derniers à se battre. Il a expliqué dans une conversation avec Arnold Sommerfeld qu'il avait été convaincu par les expériences de Jean Perrin sur le Mouvement brownien.
En 1906, Ostwald a été élu membre du Comité international des poids atomiques. À la suite de la Première Guerre mondiale, cette adhésion a pris fin en 1917 et n'a pas été reprise après la guerre. Le Rapport annuel de 1917 du comité s'est terminé par la note inhabituelle : « En raison de la guerre européenne, le Comité a eu beaucoup de difficultés en matière de correspondance. Le membre allemand, le Professeur Ostwald, n'a pas eu de nouvelles en relation avec ce rapport. Il se peut que la censure des lettres, soit en Allemagne soit en route, ait causé une confusion ».
Mesures scientifiques
Dans le cadre des investigations d'Ostwald sur les équilibres chimiques, l'affinité chimique et les interactions acide-base, il a reconnu que de nombreuses méthodes analytiques établies perturbent les systèmes chimiques en cours d'investigation. Il s'est donc tourné vers les mesures physiques en tant que méthodes de substitution pour comprendre ces phénomènes fondamentaux importants. L'une de ces mesures physiques est la mesure de la viscosité, ou résistance à l'écoulement, d'un liquide. Ostwald a inventé un appareil à cet effet composé de bulbes qui agissent comme des réservoirs pour un liquide avec un capillaire, ou tube fin, entre les réservoirs. Le temps qu'il faut au liquide pour s'écouler à travers le capillaire d'un réservoir à l'autre est une indication de la viscosité du liquide. En utilisant une solution de référence, la viscosité du liquide peut être quantifiée. Ostwald utilisait généralement cet appareil pour étudier le comportement des solutés dans des solutions aqueuses. Ces appareils sont devenus connus sous le nom de viscosimètres d'Ostwald et sont largement utilisés à l'époque contemporaine à des fins de recherche et de contrôle de qualité.
Ostwald a conçu une pipette qui pouvait être utilisée pour transférer et mesurer des liquides, en particulier les fluides séreux. Cette conception a été améliorée ultérieurement par Otto Folin. Ce type de pipette a une ampoule à l'extrémité inférieure comme caractéristique de conception particulière. Elle est devenue connue sous le nom de pipette Ostwald-Folin et est largement utilisée à l'époque contemporaine.
Science des couleurs
Après sa retraite en 1906 du monde académique, Ostwald s'est intéressé à la systématisation des couleurs, qui pourrait être utile à la fois scientifiquement et dans les arts. Il a publié Le Primaire des couleurs et également L'Atlas des couleurs pendant la période 1916–8. Ces publications ont établi des relations entre les diverses couleurs visuelles.
