Wilhelm Ostwald

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应我的迫切要求,放射镭不久前在这里被发现的居里实验室向我展示了。居里夫妇当时正在旅行。这个地方介于马厩和土豆地窖之间,如果我没有看到装有化学仪器的工作台,我会认为这是一个恶作剧。

Friedrich Wilhelm Ostwald是一位波罗的海日耳曼化学家和哲学家。Ostwald被认为是物理化学领域的创始人之一,与Jacobus Henricus van 't Hoff、Walther Nernst和Svante Arrhenius并列。他因在催化、化学平衡和反应速率领域的科学贡献,获得了1909年诺贝尔化学奖。

在1906年从学术生涯退休后,Ostwald开始大量从事哲学、艺术和政治活动。他在这些领域都做出了重要贡献。Ostwald被描述为一位博学家。

早年生活和教育

Ostwald出生在里加,是波罗的海日耳曼人,父亲是桶匠Gottfried Wilhelm Ostwald(1824–1903),母亲是Elisabeth Leuckel(1824–1903)。他是三个孩子中的老二,在Eugen(1851–1932)之后出生,在Gottfried(1855–1918)之前出生。Ostwald从小就对科学产生了兴趣,在家里进行实验,特别是与烟火和摄影相关的实验。

Ostwald于1872年进入位于爱沙尼亚的Dorpat大学,现在的塔尔图大学。他在1875年完成了那里的Kandidatenschrift考试。在Dorpat期间,Ostwald接触了大量的人文科学、艺术和哲学,这些后来成为他在1906年从学术界退休后工作的重点。

学术生涯

Ostwald从1875年开始在Dorpat大学担任独立的无薪研究员。他在Carl Schmidt的实验室工作,与同时代的Johann Lemberg一起。Lemberg教Ostwald许多无机化合物分析和平衡与化学反应速率测量的基础知识。Lemberg还教Ostwald许多地质现象的化学基础。这些工作成为Ostwald后来研究工作的主题的一部分。除了在Carl Schmidt的实验室工作外,Ostwald还在大学的物理研究所与Arthur von Oettingen一起学习。

大约在1877年,Ostwald仍在Dorpat大学化学实验室继续他的无薪研究员工作,但在Oettingen的助手移居里加后,他成为了物理研究所的有薪助理。他也曾通过在Dorpat高中教授数学和科学来自我维持。

Ostwald对化学亲和力问题和形成化学化合物的反应深感兴趣。这是当时化学家面临的核心理论问题。作为他早期工作的一部分,Ostwald开发了一个三维亲和力表,该表考虑了温度的影响以及酸和碱的亲和力常数。Ostwald还研究了质量作用、电化学和化学动力学。

Ostwald在1877年获得了Dorpat大学的硕士学位,使他能够进行讲座和收取教学费用。Ostwald在1878年在Dorpat大学发表了他的博士论文,由Carl Schmidt担任论文顾问。他的博士论文题为《Volumchemische und Optisch-Chemische Studien》"体积和光学化学研究"。1879年,他成为Carl Schmidt的有薪助理。

Jacobus van 't Hoff(左)和Wilhelm Ostwald

1881年,Ostwald成为现在的里加技术大学Riga Polytechnicum的化学教授。1887年,他移居莱比锡大学,担任物理化学教授。Ostwald一直在莱比锡大学任教,直到1906年退休。他还在1904年和1905年担任哈佛大学的第一位"交换教授"。

在Ostwald的学术生涯中,他有许多研究生后来成为杰出的科学家。这些人包括未来的诺贝尔奖获得者Svante Arrhenius、Jacobus Henricus van 't Hoff和Walther Nernst。其他学生包括Arthur Noyes、Willis Rodney Whitney和Kikunae Ikeda。所有这些学生都因对物理化学的贡献而闻名。

1901年,Albert Einstein申请了Ostwald实验室的研究职位。这是在Einstein发表狭义相对论四年之前。Ostwald拒绝了Einstein的申请,尽管后来两人产生了相互尊重。随后,Ostwald在1910年和1913年再次提名Einstein获得诺贝尔奖。

1906年退休后,Ostwald开始从事哲学、政治和其他人文学科工作。

在学术生涯的过程中,Ostwald为科学文献发表了500多篇原创研究论文,并出版了约45本书籍。

科学贡献

硝酸工艺

Ostwald发明了一种通过氧化氨来廉价制造硝酸的工艺。他获得了这个工艺的专利。Ostwald的专利使用了催化剂,并描述了硝酸产量接近理论极限的条件。该基本工艺的某些方面也在64年前由Kuhlmann申请过专利。Kuhlmann的工艺没有成为工业上的重要方法,可能是由于缺乏廉价的氨来源。在Ostwald发现之后不久,由于Haber和Bosch发明了氮固定工艺(在1911年或1913年完成用于氨合成),廉价氨变得可用。这两个突破的结合很快导致了肥料和炸药生产的更经济和更大规模的生产,德国在第一次世界大战期间短缺这两样。该工艺通常被称为Ostwald工艺。该工艺在当代时期仍广泛用于硝酸的制造。

Ostwald稀释律

Ostwald还进行了关于稀释理论的重要研究,导致了他的稀释律的概念化,有时被称为"Ostwald稀释律"。这一理论认为,弱电解质的行为遵循质量作用原理,在无限稀释时被广泛解离。弱电解质的这一特性可以通过实验观察到,例如通过电化学测定。

催化

通过对化学反应速率和速度的研究以及对酸和碱的研究,Ostwald发现在某些化学反应物溶液中,酸的浓度或碱的浓度可以对化学过程的速率产生强烈影响。他意识到这是由Berzelius首次阐述的化学催化概念的表现。Ostwald阐述了催化剂是一种加速化学反应速率但不是反应物或产物一部分的物质的观点。Ostwald在化学催化理解方面的进展广泛适用于生物过程,如酶催化,以及许多工业过程。Ostwald发明的硝酸工艺中使用了催化剂。

结晶

Ostwald研究了固体的结晶行为,特别是能够以不同形式结晶的固体,这种现象被称为多形性。他发现固体不一定以其最热力学稳定的形式结晶,而是有时根据每种多晶形式的相对结晶速率优先以其他形式结晶。Ostwald发现相对速率取决于固体多晶形式和液体形式之间的表面张力。许多常见的材料都表现出这种行为,包括矿物和各种有机化合物。这一发现被称为Ostwald规则。

Ostwald意识到固体或液体溶液可以随着时间的推移继续演变。虽然非热力学首选的多晶形式可能首先结晶,但更热力学稳定的形式可以继续发展,因为溶液老化。通常这导致形成大晶体,因为它们比大量小晶体更热力学稳定。这种现象被称为Ostwald熟化,在许多情况下都可以观察到。一个日常的例子是冰淇淋随着老化而产生的颗粒质感。在地质时间尺度上,许多矿物表现出Ostwald熟化,因为当矿物老化时,它们的晶体形式会演变。

美国亚利桑那州Saginaw Hill的Liesegang环

与溶解度和结晶相关的是Ostwald的发现,即固体的溶解取决于晶体的大小。当晶体很小时,通常小于一微米,固体在溶液相中的溶解度增加。Ostwald用数学方法量化了这个效果,产生了一个被称为Ostwald-Freundlich方程的关系。Ostwald在1900年首次发表了他的发现,他的数学方程在1909年由德国化学家Herbert Freundlich进行了改进。这个数学关系也适用于系统中物质的分压。Ostwald-Freundlich方程考虑了系统中颗粒的表面张力,以及曲率和温度。溶解度的尺寸相关性有时用于配制具有低溶解度的医药品中,以增强患者的吸收。尺寸相关性在Ostwald熟化中也起作用。

Ostwald与德国化学家Raphael E. Liesegang合作,认识到物质可以以周期性方式结晶,其中结晶行为遵循空间或时间模式。在某些情况下,这种周期性结晶行为的结果很容易在视觉上观察到,例如,在各种地质构造中。Liesegang以前在特定的实验室实验中调查过这种现象,并将他的结果展示给了Ostwald。然后Ostwald为该现象开发了一个数学模型,用来解释观察结果,并意识到周期性结晶行为是多么广泛。这些观察被称为Liesegang环。

原子理论

Ostwald大约在1900年左右将"摩尔"一词引入化学词典。他将一摩尔定义为物质的分子量,单位为克。该概念与理想气体相关联,根据Ostwald。讽刺的是,Ostwald对摩尔概念的开发与他对原子理论的哲学反对直接相关,他与Ernst Mach是最后的反对者之一。他在与Arnold Sommerfeld的交谈中解释说,他被Jean Perrin的布朗运动实验所说服。

Ostwald粘度计

1906年,Ostwald被选为国际原子权重委员会成员。由于第一次世界大战的后果,这个成员身份在1917年结束,战后没有恢复。1917年委员会的年度报告以不寻常的注释结尾:"由于欧洲战争,委员会在通信方面遇到了很多困难。德国成员Ostwald教授在这份报告中没有收到任何消息。可能是德国或途中的信件审查导致了邮件误转"。

科学测量

作为Ostwald对化学平衡、化学亲和力和酸碱相互作用的研究的一部分,他意识到许多既定的分析方法会扰乱所研究的化学系统。因此,他转向物理测量作为理解这些重要基本现象的替代方法。其中一种物理测量是测量液体的粘度或流动阻力。Ostwald为此目的发明了一种装置,由液体储存器作用的灯泡和储存器之间的毛细管或细管组成。液体通过毛细管从一个储存器流向另一个储存器所需的时间表示液体的粘度。使用参考溶液,可以定量液体的粘度。Ostwald通常使用这个装置来研究溶质在水溶液中的行为。这些装置被称为Ostwald粘度计,在当代时期被广泛用于研究和质量控制目的。

Ostwald设计了一种移液管,可用于转移和测量液体,特别是血清液体。这个设计后来由Otto Folin改进。这种移液管的一个特殊设计特征是下端有一个灯泡。它被称为Ostwald-Folin移液管,在当代时期被广泛使用。

色彩科学

1906年从学术界退休后,Ostwald开始对色彩的系统化感兴趣,这对科学和艺术都很有用。他在1916-1918年间出版了《色彩启蒙》和《色彩图册》。这些出版物建立了各种视觉色彩之间的关系。

《色彩启蒙》,第33页

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