威廉·奥斯特瓦尔德(1853年9月2日-1932年4月4日),出生于
拉脱维亚的德国籍物理化学家。是
物理化学的创始人之一。1909年因其在
催化剂的作用、
化学平衡、
化学反应速率方面的研究的突出贡献,被授予
诺贝尔化学奖。著有《普通化学概论》《自然哲学概论》 《电化学:历史与理论》等。是“
批判学派”代表人物之一。
人物生平
威廉·奥斯特瓦尔德1853年9月2日出生于利沃尼亚地区的里加(当时属于
俄罗斯帝国管辖,现为
拉脱维亚首都)。奥斯特瓦尔德少年时被送入自然科学教育和
实用技术并重的一所
文实中学(Realgymnasium)进行学习。
1872年1月进入利沃尼亚的多帕特大学(现名
塔尔图大学,属
爱沙尼亚)就读。
1875年大学毕业后,奥斯特瓦尔德留在多帕特大学,在物理学家阿瑟·范·奥丁根的指导下,进行了各种物理分析手段的训练,这奠定了他之后一直坚持的研究方向与方法:结合物理手段与
化学分析来进行
科学研究。
之后他开始对
丹麦物理学家尤利乌斯·汤姆森(Julius Thomsen)提出的通过测量反应放出的热量来比较化学亲和力的假设产生兴趣。他希望类似的通过测量
化学过程中的体积变化和
折射率的变化来比较物质的化学亲和力,为此他作了大量的实验,在1878年底以《体积化学与光化学研究》的论文取得博士学位。奥斯特瓦尔德在这一阶段所做的独创性研究,使得他的研究工作开始被科学界所重视。
1906年从
莱比锡大学退休,年仅五十二岁。退休之后,固然曾经担负过
哈佛大学客座教授,也从事过色彩理论的钻研。然而,大部分时候是在景色幽美的莱比锡左近的格罗斯伯登小村中过着隐居生存,并撰写自传。
1909年奥斯特瓦尔德因“在
催化作用与
化学平衡和反应方面的工作,以及由氨制硝酸的方法”获得了
诺贝尔化学奖,随即把部分奖金捐助,进行
伊多语的发展。奥斯特瓦尔德晚年参加了大量的国际和平运动。并加入了创建
国际语言的运动,开始学习
世界语,后来支持伊多语的发展。
1910年之后奥斯特瓦尔德还进行了
颜色学的研究,制定了衡量颜色的笔筒的
测量标准,提出了奥斯特瓦尔德色彩系统。 在这个系统他认为所有颜色都可以通过“黑”(B),“白”(W)和“
纯色”(F)三种成分按照一定的面积比例旋转
混色得到,而且 W+
B+F=100(%)。所以描述一个特定颜色,只要给出三种变量的
具体数值就可以了,这使得颜色的调配不必完全依靠视觉,而有了类似科学的定量化方法。接着他用类似于三相
相图的办法将纯色,黑,白放在正
三角形顶点,形成了“等色相三角形”。这样使得整个系统秩序严密,配色时极为方便。
1910年-1912年奥斯特瓦尔德和
恩斯特·海克尔成为
一元论运动的代表人物,并担任“一元论同盟”的主席。之后他甚至希望建立国际科学家学会,以增加各国学者的交流,但这个愿望被一战而打破。一战中他的制取硝酸的专利被用于制造炸药,而他参与的很多学会都停止了活动。
1927年他完成了具有重要史料价值的《生命线·自传》一书,总结了自己几十年的研究经历和学术活动。
1932年4月4日,奥斯特瓦尔德因
尿毒症在莱比锡去世,享年78岁。他被葬于当地,在出生地
里加有他的纪念碑。
主要成就
编写与翻译化学
奥斯特瓦尔德在1880年开始写《普通化学概论》一书,并不断希望用新的
物理化学进展来诠释其中的概念。同时他努力宣传
阿累尼乌斯和
荷兰物理化学家
雅各布斯·亨里克斯·范托夫关于
化学动力学的工作,这些著作出版后大受欢迎,但也受到不少学者的反对。因为当时
欧洲大陆很多学者囿于
有机化学和
分析化学的经验,认为只有发现元素和合成
新物质是化学家的工作,而称奥斯特瓦尔德等人为“离子家”。面对这种责难,奥斯特瓦尔德创办了世界第一种物理化学期刊《国际物理化学与化学物理研究》(德语:Zeitschrift für Physikalische Chemie),努力将物理化学从有机和分析化学中独立出来。
化学动力学研究
1881年,奥斯特瓦尔德回到
里加,担任里加
综合技术学院(现
里加技术大学)的化学教授。开始建立实验室和开展他感兴趣的化学动力学的研究工作,希望可以通过比较
化学反应的速率来比较各种物质的化学亲和力,为此他在1883年1月对欧洲大陆的先进实验室进行和考察,并和当时的化学家
亥姆霍兹和
拜耳等人私下进行了学术上的交流。
1884年后,
阿累尼乌斯提出
电离理论,他奉告奥斯特瓦尔德, 溶液的
导电性和奥斯特瓦尔德所钻研的酸的亲和力拥有一致性。因而, 奥斯特瓦尔德行使阿累尼乌斯的
电导法从新测定了酸的亲和力,发现
电导法比密度法要好很多。试验的效果指出:对于
一元强酸的溶液,跟着
溶液浓度的稀释,电导逐步增大,当溶液无穷稀释时,电导到达
最大值。
1887年奥斯特瓦尔德接受聘请,担任德国
莱比锡大学的化学教授,他一直任此职到1906年。在这将近二十年的时间中,他组建了先进的物理
化学实验室,吸引了整个欧洲各地乃至美国的年轻研究者前来。在他的领导下,
莱比锡大学成为当时欧洲物理化学研究的一个中心,正如他的学生弗里德里克·
唐南所说的“当你遇到困难时,他总会解决的办法;当你没有困难时,他总能给你新的思路”。
1888年奥斯特瓦尔德从
质量作用定律和电离理论出发推导出描述电导、
电离度和
离子浓度关系的
奥斯特瓦尔德稀释定律,并且通过大量实验
数据验证了这一关系:
Kp:在溶液极稀时近似为常数
这一定律使质量作用定律和电离理论成功地应用在处理部分电离弱酸弱碱体系,为这两个当时尚是假设的观点提供了支持。1891年奥斯特瓦尔德又使用电离理论成功解释了
酸碱指示剂的原理。
在对溶液的物理化学研究方面,他邀请
恩斯特·奥托·贝克曼作为助手设计精确的
温度测量设备(即后来所称的
贝克曼温度计)和
恒温槽,以便精确的研究稀溶液的
依数性,如溶液加入电解质或者其他组分之后产生的
蒸气压下降、
沸点上升、
凝固点下降等现象。他们用这套设备验证了
拉乌尔定律,并对范托夫当时提出的
渗透压等概念进行了测量。1900年左右奥斯特瓦尔德在对溶液粘度性质的测量时,发明了奥斯特瓦尔德黏度计,至今仍然被广泛使用,另一说是由他的儿子沃尔夫冈·奥斯特瓦尔德所发明。
另外他还提出了两个至今常用的概念:
一、奥斯特瓦尔德规则。液体在结晶过程中,并不会直接生成最稳定的
晶相,而是先生成最不稳定的晶相,然后随着温度的继续降低或者时间的推移,逐步向更稳定的晶相转变,所以在
晶体中会存在多种晶相共存的情况。
二、
奥斯瓦尔德熟化(Ostwald Ripening)。如同右图《奥斯特瓦尔德熟化的基本表示》中描述的,溶液中产生的较小的晶体微粒因
曲率较大,能量较高,所以会逐逐渐溶解到周围的介质中,然后会在较大的晶体微粒的表面重新析出,这使得较大的晶体微粒进一步增大。这一过程20世纪已经被广泛应用在
纳米粒子的制备中。
催化现象的研究
除了电离理论、溶液的
依数性和
结晶学以外,奥斯特瓦尔德还是催化现象研究的开创者。
1888年“催化”这一概念是由瑞典化学家贝采利乌斯最先提出的,提出后就遭到尤利乌斯·李比希的反对,随后的几十年中,对于
催化剂和催化现象的本质的争论一直没有终止。
1890年发表文章,提出了自然界广泛存在的”
自催化”现象。之后他和助手乔治·布瑞迪希(Georg Bredig)合作,对
异相催化过程进行了研究。在1895年他发表了《催化过程的本质》,提出了催化剂的另一个特点:在
可逆反应中,催化剂仅能加速反应平衡的到达,而不能改变
平衡常数。
1902年提出了著名的奥斯特瓦尔德过程,即
氨气通过催化剂(例如铂)作用被氧化生成
一氧化氮,一氧化氮在空气中氧化为
二氧化氮,二氧化氮和水反应生成
硝酸和一氧化氮,生成的一氧化氮可以重新利用。这一过程实际上在1838 年就已经被人申请了专利,但是当时还无法获得大量的氨气作为原料,所以只有学术上的意义。奥斯特瓦尔德遇到了类似的困难,直到1908年左右他获知了德国化学家
弗里茨·哈伯等人的
合成氨工艺,才将这一制取硝酸的方法工业化,这一方法使得肥料和炸药的产量大量的增加,正如奥斯特瓦尔德自己所说的“工业的关键在于催化剂的使用”,但这一方法也被德国用于生产
第一次世界大战中所需的炸药。后来这一过程后来经过奥斯特瓦尔德的学生马克斯·博登斯坦(Max Bodenstein)等人的的改进,一直广泛应用。
能量学
1887年奥斯特瓦尔德初任
莱比锡大学教授时候的演讲的题目是“能量与其转变”,当时他的结论是物理化学对能量的研究可以补充其他化学对物质的研究,能量和物质都是实体,但1891年左右他开始形成了他的“能量学”(
energetics)概念,认为能量是真实的实在,物质并不是能量的负载者,而只是能量的表现形式。1895年他在德国
吕贝克自然科学家会议上发表了“克服科学的
唯物论”的讲演,这是他公开反对
原子论的宣言,当即遭到主张原子论的
路德维希·玻耳兹曼的激烈反对。自此奥斯特瓦尔德和
恩斯特·马赫成为对原子假设持怀疑态度的代表,和
玻耳兹曼、
马克斯·普朗克等人产生了长期的论战。中国大陆因为受到
意识形态的影响,按照
列宁的观点把他的能量学称为”
唯能论”,并将这一论战描述成唯心与唯物的斗争。
1906年他在和
阿诺·索末菲的谈话中表示,他通过
让·巴蒂斯特·皮兰关于布朗运动的实验才转变过来。并在1909年《普通化学概论》第四版的序言中公开承认了一方面由于
约瑟夫·汤姆孙在
气体离子方面的工作,另一方面也由于让·巴蒂斯特·皮兰的关于
布朗运动的实验对与爱因斯坦的
数学模型的符合,使得他自己接受了原子论假设的
合理性。
学术与社会活动
莱比锡时期的奥斯特瓦尔德修订了《普通化学概论》,并在1892年翻译出版了美国物理化学家
约西亚·威拉德·吉布斯的
经典之作《论非均相物体的平衡》,而当时吉布斯的著作由于充满了数学推导,在美国还没有人关注。他的这一译本和
勒沙特列在 1897年出版的
法文译本使得吉布斯关于
相平衡的想法被欧洲大陆所接受。他开始组织批注和出版《奥斯特瓦尔德精密科学的经典作家》丛书,收集了从亥姆霍兹 的《论力的守恒》开始的经典
科学文献,便于人们进行科学与
科学史研究。他还组织了德国
电化学学会和撰写了
巨著《电化学:历史与理论》。
1904年前往美国。他在
哈佛大学、
麻省理工学院、
哥伦比亚大学讲授哲学,使用物理化学的观点来讲解化学,受到欢迎。
1906年奥斯特瓦尔德从
美国回到德国后即从
莱比锡大学退休,开始投身到自己感兴趣的研究和
社会活动中。
家庭成员
1880年奥斯特瓦尔德和
海莲内·冯·赖黑尔(Helene von Reyher)结婚,生有五个孩子,其中的沃尔夫冈·奥斯特瓦尔德是
胶体化学的创始人之一。
1907年,沃尔夫冈·奥斯特瓦尔德在莱比锡大学任教,二年之后到美国工作,1915年任
加州大学伯克利
分校胶体化学教授,1923年担任莱比锡物理-
化学研究所化学部主任。沃尔夫冈·奥斯特瓦尔德将胶体定义为
多相分散体系,
颗粒大小为1—100
毫微米。他还发现胶体的光
散射现象,发明了泡沫
分析法。
获得荣誉
重要著作
《自然哲学概论》 1902,有中译本。
李醒民 译,北京:华夏出版社,2000年1月第1版。
《电化学:历史与理论》1910
《普通化学概论》 第五版 1917年
《生命线·自传》(1927)
《国际物理化学与化学物理研究》 文刊
人物评价
奥斯特瓦尔德是20世纪
科学革命和哲学革命的先驱,“
批判学派”代表人物之一。(
李醒民)