Auf meine dringende Bitte wurde mir das Curie-Laboratorium gezeigt, in dem Radium kurz zuvor entdeckt worden war. Die Curies selbst waren auf Reisen. Es war eine Mischung aus Stall und Kartoffelkeller, und wenn ich nicht den Arbeitstisch mit der chemischen Ausrüstung gesehen hätte, hätte ich es für einen Scherz gehalten.
Friedrich Wilhelm Ostwald war ein baltischer deutscher Chemiker und Philosoph. Ostwald gilt als einer der Gründer des Fachbereichs Physikalische Chemie, zusammen mit Jacobus Henricus van 't Hoff, Walther Nernst und Svante Arrhenius. Er erhielt 1909 den Nobelpreis für Chemie für seine wissenschaftlichen Beiträge zu den Bereichen Katalyse, chemische Gleichgewichte und Reaktionsgeschwindigkeiten.
Nach seinem Rückzug aus dem akademischen Leben 1906 befasste sich Ostwald intensiv mit Philosophie, Kunst und Politik. Er leistete bedeutende Beiträge in jedem dieser Bereiche. Ostwald wurde als Universalgelehrter beschrieben.
Frühen Leben und Ausbildung
Ostwald wurde 1853 als ethnischer Baltendeutscher in Riga geboren, als Sohn des Küfers Gottfried Wilhelm Ostwald 1824–1903 und Elisabeth Leuckel 1824–1903. Er war das mittlere Kind von drei, geboren nach Eugen 1851–1932 und vor Gottfried 1855–1918. Ostwald entwickelte bereits als Kind ein Interesse an Naturwissenschaften und führte Experimente in seinem Zuhause durch, besonders im Zusammenhang mit Feuerwerk und Fotografie.
Ostwald trat 1872 in die Universität Dorpat, Estland, heute Universität Tartu, ein. Er absolvierte dort 1875 seine Kandidatenprüfungen. Während seiner Zeit in Dorpat war Ostwald erheblich Geisteswissenschaften, Kunst und Philosophie ausgesetzt, die nach seinem Rückzug aus der Akademie 1906 zu einem Schwerpunkt seiner Arbeiten wurden.
Akademische Karriere
Ostwald begann seine Karriere 1875 als unabhängiger unbezahlter Forscher an der Universität Dorpat. Er arbeitete im Labor von Carl Schmidt zusammen mit seinem Zeitgenossen Johann Lemberg. Lemberg brachte Ostwald viele Grundlagen der Analyse anorganischer Verbindungen und Messungen von Gleichgewichten und chemischen Reaktionsgeschwindigkeiten bei. Lemberg lehrte Ostwald auch die chemischen Grundlagen vieler geologischer Phänomene. Diese Arbeiten bildeten Teil der Themen von Ostwalds späteren Forschungsbemühungen. Neben seiner Arbeit in Carl Schmidts Labor studierte Ostwald auch am Physikalischen Institut der Universität mit Arthur von Oettingen.
Um 1877, während er seine Arbeit als unbezahlter Forscher im Chemielabor der Universität Dorpat fortsetzte, wurde Ostwald bezahlter Assistent am Physikalischen Institut, nachdem Oettingens Assistent nach Riga zog. Er unterstützte sich auch für einige Zeit durch das Unterrichten von Mathematik und Naturwissenschaften an einer Dorpater Schule.
Ostwald interessierte sich tiefgreifend für Fragen der chemischen Affinität und die Reaktionen, die chemische Verbindungen bildeten. Dies war die zentrale theoretische Frage, der sich Chemiker zu dieser Zeit gegenübersahen. Als Teil seiner frühen Arbeit entwickelte Ostwald eine dreidimensionale Affinitätstabelle, die die Auswirkungen der Temperatur sowie die Affinitätskonstanten von Säuren und Basen berücksichtigte. Ostwald untersuchte auch Massenwirkung, Elektrochemie und chemische Dynamik.
Ostwald schloss sein Magisterium an der Universität Dorpat 1877 ab, was ihm ermöglichte, Vorlesungen zu halten und Unterricht zu bezahlen. Ostwald veröffentlichte seine Doktordissertation 1878 an der Universität Dorpat mit Carl Schmidt als seinem Betreuer. Seine Doktorarbeit hatte den Titel Volumchemische und Optisch-Chemische Studien. 1879 wurde er bezahlter Assistent von Carl Schmidt.
1881 wurde Ostwald Professor für Chemie am Riga Polytechnicum, heute Riga Technical University. 1887 zog er zur Universität Leipzig, wo er Professor für Physikalische Chemie wurde. Ostwald blieb bis zu seiner Pensionierung 1906 an der Fakultät der Universität Leipzig. Er diente auch 1904 und 1905 als erster „Austauschprofessor" an der Harvard University.
Während seiner akademischen Karriere hatte Ostwald viele Forschungsstudenten, die selbst zu angesehenen Wissenschaftlern wurden. Dazu gehörten die zukünftigen Nobelpreisträger Svante Arrhenius, Jacobus Henricus van 't Hoff und Walther Nernst. Weitere Studenten waren Arthur Noyes, Willis Rodney Whitney und Kikunae Ikeda. Alle diese Studenten wurden für ihre Beiträge zur Physikalischen Chemie bekannt.
1901 bewarb sich Albert Einstein um eine Forschungsposition in Ostwalds Labor. Dies war vier Jahre vor Einsteins Veröffentlichung zur speziellen Relativitätstheorie. Ostwald lehnte Einsteins Bewerbung ab, obwohl die beiden später gegenseitigen starken Respekt entwickelten. Anschließend nominierte Ostwald Einstein 1910 und erneut 1913 für den Nobelpreis.
Nach seiner Pensionierung 1906 wurde Ostwald aktiv in Philosophie, Politik und anderen Geisteswissenschaften.
Im Laufe seiner akademischen Karriere veröffentlichte Ostwald mehr als 500 Original-Forschungsarbeiten für die wissenschaftliche Literatur und etwa 45 Bücher.
Wissenschaftliche Beiträge
Salpetersäureverfahren
Ostwald erfand ein Verfahren zur preiswerten Herstellung von Salpetersäure durch Oxidation von Ammoniak. Er erhielt Patente für dieses Verfahren. Ostwalds Patent nutzte einen Katalysator und beschrieb Bedingungen, unter denen die Ausbeute an Salpetersäure nahe dem theoretischen Grenzwert lag. Aspekte des grundlegenden Verfahrens waren auch etwa 64 Jahre früher von Kuhlmann patentiert worden. Kuhlmanns Verfahren wurde nicht industriell bedeutsam, wahrscheinlich wegen des Mangels an einer preiswerten Ammoniakquelle. Kurz nach Ostwalds Entdeckung wurde preiswertes Ammoniak als Folge von Habers und Boschs Erfindung eines Stickstoffixierungsverfahrens verfügbar, das 1911 oder 1913 für die Ammoniaksynthese abgeschlossen wurde. Die Kombination dieser beiden Durchbrüche führte bald zu wirtschaftlicherer und größerer Produktion von Düngemitteln und Sprengstoff, bei denen Deutschland im Ersten Weltkrieg knapp war. Das Verfahren wird oft als Ostwald-Verfahren bezeichnet. Das Verfahren ist weiterhin weit verbreitet in der zeitgenössischen Herstellung von Salpetersäure.
Ostwalds Verdünnungsgesetz
Ostwald führte auch bedeutende Forschungen zur Verdünnungstheorie durch, die zu seiner Konzeptualisierung des Verdünnungsgesetzes führten, das manchmal als „Ostwalds Verdünnungsgesetz" bezeichnet wird. Diese Theorie besagt, dass sich schwache Elektrolyte nach den Prinzipien der Massenwirkung verhalten, bei unendlicher Verdünnung umfangreich dissoziiert sind. Diese Eigenschaft schwacher Elektrolyte kann experimentell beobachtet werden, beispielsweise durch elektrochemische Bestimmungen.
Katalyse
Durch seine Forschungen zu chemischen Reaktionsgeschwindigkeiten und seine Studien über Säuren und Basen fand Ostwald heraus, dass die Konzentration der Säure oder die Konzentration der Base in einer Lösung bestimmter chemischer Reaktanten einen starken Einfluss auf die Rate chemischer Prozesse haben kann. Er erkannte, dass dies eine Manifestation des Konzepts der chemischen Katalyse ist, das zuerst von Berzelius artikuliert wurde. Ostwald artikulierte die Idee, dass ein Katalysator eine Substanz ist, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beschleunigt, ohne Teil der Reaktanten oder Produkte zu sein. Ostwalds Fortschritte im Verständnis der chemischen Katalyse waren in biologischen Prozessen wie enzymatischer Katalyse und auch in vielen industriellen Prozessen weit verbreitet. Ein Katalysator wird in dem von Ostwald erfundenen Salpetersäureverfahren verwendet.
Kristallisation
Ostwald untersuchte das Kristallisationsverhalten von Feststoffen, besonders solche Feststoffe, die in verschiedenen Formen kristallisieren können, in dem Phänomen, das als Polymorphismus bekannt ist. Er entdeckte, dass Feststoffe nicht notwendigerweise in ihrer thermodynamisch stabilsten Form kristallisieren, sondern manchmal bevorzugt in anderen Formen kristallisieren, je nach den relativen Kristallisationsgeschwindigkeiten jeder polymorphen Form. Ostwald fand heraus, dass die relativen Raten von der Oberflächenspannung zwischen dem festen Polymorph und der flüssigen Form abhängig waren. Viele übliche Materialien zeigen diese Art von Verhalten, einschließlich Mineralien und verschiedener organischer Verbindungen. Dieses Ergebnis wurde als Ostwalds Regel bekannt.
Ostwald erkannte, dass feste oder flüssige Lösungen sich im Laufe der Zeit weiter entwickeln können. Während ein thermodynamisch nicht bevorzugter Polymorph zuerst kristallisieren kann, können sich thermodynamisch stabilere Formen weiterhin entwickeln, während die Lösung altert. Dies führt oft dazu, dass große Kristalle entstehen, da sie thermodynamisch stabiler sind als große Mengen kleiner Kristalle. Dieses Phänomen wurde als Ostwald-Reifung bekannt und wird in vielen Situationen beobachtet. Ein alltägliches Beispiel ist die körnige Textur, die Eiscreme entwickelt, wenn sie altert. Im geologischen Zeitmaßstab zeigen viele Mineralien Ostwald-Reifung, während ihre Kristallformen sich entwickeln, wenn das Mineral altert.
Im Zusammenhang mit Löslichkeit und Kristallisation war Ostwalds Erkenntnis, dass die Auflösung eines Feststoffs von der Größe des Kristalls abhängt. Wenn die Kristalle klein sind, typischerweise weniger als ein Mikron, erhöht sich die Löslichkeit des Feststoffs in der Lösungsphase. Ostwald quantifizierte diesen Effekt mathematisch in einer Beziehung, die als Ostwald-Freundlich-Gleichung bekannt wurde. Ostwald veröffentlichte seine Erkenntnis zuerst 1900, und seine mathematische Gleichung wurde 1909 vom deutschen Chemiker Herbert Freundlich verfeinert. Diese mathematische Beziehung gilt auch für den Partialdruck einer Substanz im System. Die Ostwald-Freundlich-Gleichung berücksichtigt die Oberflächenspannung des Partikels im System sowie Krümmung und Temperatur. Die Größenabhängigkeit der Löslichkeit wird manchmal bei der Formulierung von Arzneimitteln mit niedriger Löslichkeit genutzt, um ihre Aufnahme durch den Patienten zu verbessern. Die Größenabhängigkeit spielt auch eine Rolle bei der Ostwald-Reifung.
In Zusammenarbeit mit dem deutschen Chemiker Raphael E. Liesegang erkannte Ostwald, dass Substanzen in periodischer Weise kristallisieren können, wobei das Kristallisationsverhalten einem räumlichen oder zeitlichen Muster folgt. Unter bestimmten Umständen ist das Ergebnis dieses periodischen Kristallisationsverhaltens leicht visuell zu beobachten, beispielsweise in verschiedenen geologischen Formationen. Liesegang hatte dieses Phänomen zuvor in spezifischen Laborexperimenten untersucht und seine Ergebnisse Ostwald gezeigt. Ostwald entwickelte dann ein mathematisches Modell für das Phänomen, das dazu diente, die Beobachtungen zu erklären, und erkannte, wie weit verbreitet das periodische Kristallisationsverhalten ist. Diese Beobachtungen wurden als Liesegang-Ringe bekannt.
Atomtheorie
Ostwald führte um 1900 das Wort Mol in das Vokabular der Chemie ein. Er definierte ein Mol als das Molekulargewicht einer Substanz in Einheiten der Massengramme. Das Konzept war mit dem idealen Gas verbunden, nach Ostwald. Ironischerweise war Ostwalds Entwicklung des Mol-Konzepts direkt mit seiner philosophischen Gegnerschaft zur Atomtheorie verbunden, gegen die er zusammen mit Ernst Mach einer der letzten Widerständler war. Er erklärte in einem Gespräch mit Arnold Sommerfeld, dass er durch Jean Perrins Experimente zur Brownschen Bewegung überzeugt worden war.
1906 wurde Ostwald zum Mitglied des Internationalen Komitees für Atommassen gewählt. Aufgrund des Ersten Weltkriegs endete diese Mitgliedschaft 1917 und wurde nach dem Krieg nicht wieder aufgenommen. Der Jahresbericht des Komitees von 1917 endete mit der ungewöhnlichen Notiz: „Wegen des europäischen Krieges hatte das Komitee große Schwierigkeiten beim Schriftwechsel. Das deutsche Mitglied, Professor Ostwald, wurde in Bezug auf diesen Bericht nicht gehört. Möglicherweise hat die Zensur von Briefen, entweder in Deutschland oder auf dem Weg, zu einem Schaden geführt".
Wissenschaftliche Messungen
Als Teil von Ostwalds Untersuchungen zur chemischen Gleichgewichtslehre, chemischen Affinität und Säure-Base-Wechselwirkungen erkannte er, dass viele etablierte analytische Methoden die unter Untersuchung stehenden chemischen Systeme stören. Er wandte sich daher physikalischen Messungen als Ersatzmethoden zu, um diese wichtigen grundlegenden Phänomene zu verstehen. Eine solche physikalische Messung ist die Messung der Viskosität oder des Fließwiderstands einer Flüssigkeit. Ostwald erfand ein Gerät zu diesem Zweck, das aus Blasen besteht, die als Behälter für eine Flüssigkeit mit einer Kapillare oder dünnem Schlauch dazwischen dienen. Die Zeit, die die Flüssigkeit benötigt, um durch die Kapillare von einem Behälter zum anderen zu fließen, ist ein Hinweis auf die Viskosität der Flüssigkeit. Mit einer Referenzlösung kann die Viskosität der Flüssigkeit quantifiziert werden. Ostwald verwendete dieses Gerät typischerweise, um das Verhalten von gelösten Stoffen in Wasserlösungen zu untersuchen. Diese Geräte wurden als Ostwald-Viskosimeter bekannt und werden in der Gegenwart weit verbreitet zu Forschungs- und Qualitätskontrollzwecken verwendet.
Ostwald entwarf eine Pipette, die zum Übertragen und Messen von Flüssigkeiten, besonders seröser Flüssigkeiten, verwendet werden konnte. Dieses Design wurde später von Otto Folin verbessert. Dieses Pipetten-Typ hat eine Glühbirne an dem unteren Ende als besonderes Designmerkmal. Sie wurde als Ostwald-Folin-Pipette bekannt und wird heutzutage weit verbreitet verwendet.
Farbwissenschaft
Nach seiner Pensionierung 1906 aus der Akademie interessierte sich Ostwald für die Systematisierung von Farben, die sowohl wissenschaftlich als auch in der Kunst nützlich sein könnte. Er veröffentlichte Der Farbprimer und auch Der Farb-Atlas während des Zeitraums 1916–8. Diese Veröffentlichungen etablierten Beziehungen zwischen verschiedenen visuellen Farben.
