威廉·奥斯特瓦尔德

德国物理化学家

威廉·奥斯特瓦尔德(Friedrich Wilhelm Ostwald,1853—1932年),出生于拉脱维亚的德国籍物理化学家,是19世纪和20世纪之交的科学家,也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。他除了在物理化学、催化、氨制 硝酸 、能量学、颜色学等科学领域作出开创性的贡献以外,还是一位名副其实的 哲学家 、科学史家、心理学家、艺术家、语言学家、作家,曾就 科学哲学 、科学方法论、文化、能源、公共教育、 人道主义 、战争与和平、 国际主义 等问题提出过一系列独到的见解和行动方案。他还是一位享有盛名的教师和勤于笔耕的编辑,一生撰写了45本著作、500篇科学论文和5000篇评论文章,并编辑了6种杂志。他著有《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(JuliusThomsen)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 莱比锡市 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 第一次世界大战 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年奥斯特瓦尔德因 尿毒症 在 莱比锡市 去世,葬于当地,在出生地里加有他的纪念碑。

1932年4月4日,奥斯特瓦尔德因病去世,享年78岁。

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 斯万特·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 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 :ZeitschriftfürPhysikalischeChemie),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,并和当时一流的化学家 赫尔曼·冯·亥姆霍兹 和 拜耳集团 等人私下进行了学术上的交流。

1884年后, 斯万特·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”。

化学 热力学 研究

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

c(A-): 阴离子 浓度

c(K+): 阳离子 浓度

c0: 弱酸 或 弱碱 的整体浓度

c(KA): 电离 后 电解质 的浓度。

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。

溶液 依数性 研究

在对溶液的 物理化学 研究方面,他邀请 恩斯特·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、 奥斯特瓦尔德环形山 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 中会存在多中晶相共存的情况。

二、 奥斯瓦尔德熟化 (OstwaldRipening)。如同右图中描述的,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 永斯·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(GeorgBredig)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 黑蚱 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(MaxBodenstein)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 莱比锡市 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,认为能量是唯一真实的实在,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·玻尔兹曼 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 阿诺德·索末菲 的谈话中表示,他通过 让·佩兰 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·汤姆逊 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 阿尔伯特·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

莱比锡市 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·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 赫尔曼·冯·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(HelenevonReyher)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 莱比锡市 大学任教,二年之后到 美国 工作,1915年任 加利福尼亚大学 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

• 1909年 诺贝尔化学奖

• 德国 诺贝尔奖 获得者

•   瑞典皇家科学院 院士

•   柏林科学院 院士

• 德国化学家

• 物理化学家

•  莱比锡 大学教授

•   塔尔图大学 校友

• 世界语者

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

威廉·奥斯特瓦尔德的能量论是哲人科学家的思想独创和哲学杰作。( 中国科学院 《 自然辩证法通讯 》杂志社原主编李醒民评)

威廉·奥斯特瓦尔德是20世纪科学革命(物理学革命)和哲学革命(逻辑经验论)的先驱、批判主义的代表人物,也是现代科学方法的滥觞,他对科学方法的发展做出了杰出贡献。(中国科协创新战略研究院刘萱、北京 遨博(北京)智能科技有限公司 科技发展有限公司任鹏评)

参考资料

  1. 关于“批判学派”的由来和研究 知网空间 2024-03-05
  2. 物理化学的奠基者———奥斯特瓦尔德 大学化学杂志 2024-03-05
  3. 哲人科学家:人类思想史上路标的设置者 | 科技导报 微信公众平台 2024-08-08
  4. 规划解读|弘扬科学精神 传播科学思想——现代科技馆体系实现科学文化价值引领的思考 微信公众平台 2024-08-08