По моей настоятельной просьбе мне показали лабораторию Кюри, в которой совсем недавно было открыто радиоактивное излучение. Сами Кюри были в путешествии. Это было помесью конюшни и картофельного погреба, и если бы я не увидел рабочий стол с химической аппаратурой, я бы подумал, что это розыгрыш.
Friedrich Wilhelm Ostwald был балтийским немецким химиком и философом. Ostwald считается одним из основателей области физической химии наряду с Jacobus Henricus van 't Hoff, Walther Nernst и Svante Arrhenius. В 1909 году он получил Нобелевскую премию по химии за научный вклад в области катализа, химического равновесия и скорости реакций.
После выхода на пенсию в 1906 году Ostwald активно занялся философией, искусством и политикой. Он внёс значительный вклад в каждую из этих областей. Ostwald был описан как человек энциклопедических знаний.
Ранние годы и образование
Ostwald родился как балтийский немец в Риге в семье мастера бочечника Gottfried Wilhelm Ostwald 1824–1903 и Elisabeth Leuckel 1824–1903. Он был средним ребёнком из троих, рождённым после Eugen 1851–1932 и до Gottfried 1855–1918. С детства Ostwald проявлял интерес к науке и проводил эксперименты у себя дома, в частности связанные с фейерверками и фотографией.
Ostwald поступил в Дорптский университет, Эстония, ныне Тартуский университет, в 1872 году. В 1875 году он завершил там экзамены Kandidatenschrift. Во время учёбы в Дорпате Ostwald получил значительное образование в области гуманитарных наук, искусств и философии, которые стали центром его деятельности после выхода на пенсию в 1906 году.
Академическая карьера
Ostwald начал свою карьеру в качестве независимого неоплачиваемого исследователя в Дорптском университете в 1875 году. Он работал в лаборатории Carl Schmidt вместе со своим современником Johann Lemberg. Lemberg обучил Ostwald основам анализа неорганических соединений и измерению равновесия и скорости химических реакций. Lemberg также научил Ostwald химической основе многих геологических явлений. Эти исследования стали предметом последующих научных работ Ostwald. Помимо работы в лаборатории Carl Schmidt, Ostwald также занимался в физическом институте университета под руководством Arthur von Oettingen.
Около 1877 года, продолжая работу неоплачиваемым исследователем в химической лаборатории Дорптского университета, Ostwald стал оплачиваемым ассистентом в физическом институте после того, как ассистент Oettingen переехал в Ригу. Какое-то время он также зарабатывал тем, что преподавал математику и естественные науки в дорптской гимназии.
Ostwald глубоко интересовался вопросами химического сродства и реакциями, образующими химические соединения. Это был центральный теоретический вопрос, стоявший перед химиками того времени. В рамках своих ранних работ Ostwald разработал трёхмерную таблицу сродства, которая учитывала влияние температуры, а также константы сродства кислот и оснований. Ostwald также исследовал действие масс, электрохимию и химическую динамику.
Ostwald завершил степень магистра в Дорптском университете в 1877 году, что позволило ему читать лекции и получать плату за преподавание. Ostwald опубликовал свою докторскую диссертацию в Дорптском университете в 1878 году под руководством научного консультанта Carl Schmidt. Его докторская диссертация была озаглавлена Volumchemische und Optisch-Chemische Studien "Объёмно-химические и оптико-химические исследования". В 1879 году он стал оплачиваемым ассистентом Carl Schmidt.
В 1881 году Ostwald стал профессором химии в Рижском политехническом институте (ныне Рижский технический университет). В 1887 году он переехал в Лейпцигский университет, где стал профессором физической химии. Ostwald оставался на факультете Лейпцигского университета до выхода на пенсию в 1906 году. Он также служил первым «обменным профессором» в Гарвардском университете в 1904 и 1905 годах.
В ходе академической карьеры Ostwald имел многих научных студентов, которые стали выдающимися учёными. Среди них были будущие нобелевские лауреаты Svante Arrhenius, Jacobus Henricus van 't Hoff и Walther Nernst. Другие студенты включали Arthur Noyes, Willis Rodney Whitney и Kikunae Ikeda. Все эти студенты стали известны своим вкладом в физическую химию.
В 1901 году Albert Einstein подал заявку на исследовательскую должность в лаборатории Ostwald. Это было за четыре года до публикации Einstein о специальной теории относительности. Ostwald отклонил заявку Einstein, хотя позже между ними развилось сильное взаимное уважение. Впоследствии Ostwald номинировал Einstein на Нобелевскую премию в 1910 и снова в 1913 году.
После выхода на пенсию в 1906 году Ostwald активно занялся философией, политикой и другими гуманитарными науками.
В ходе своей академической карьеры Ostwald опубликовал более 500 оригинальных научных статей в научной литературе и примерно 45 книг.
Научный вклад
Процесс производства азотной кислоты
Ostwald изобрёл процесс для недорогого производства азотной кислоты путём окисления аммиака. Ему были выданы патенты на этот процесс. Патент Ostwald использовал катализатор и описывал условия, при которых выход азотной кислоты был близок к теоретическому пределу. Аспекты базового процесса также были запатентованы примерно за 64 года до этого Kuhlmann. Процесс Kuhlmann не стал промышленно значимым, вероятно, из-за отсутствия недорогого источника аммиака. Вскоре после открытия Ostwald недорогой аммиак стал доступным в результате изобретения Haber и Bosch процесса фиксации азота, завершённого в 1911 или 1913 году для синтеза аммиака. Комбинация этих двух прорывов вскоре привела к более экономичному и крупномасштабному производству удобрений и взрывчатых веществ, в которых Германия испытывала нехватку во время Первой мировой войны. Процесс часто называют процессом Ostwald. Процесс остаётся широко используемым в наше время для производства азотной кислоты.
Закон разбавления Ostwald
Ostwald также проводил значительные исследования теории разбавления, ведущие к его концептуализации закона разбавления, который иногда называют "Законом разбавления Ostwald". Эта теория утверждает, что поведение слабого электролита следует принципам действия масс и широко диссоциирует при бесконечном разбавлении. Эта характеристика слабых электролитов может быть наблюдаема экспериментально, например, с помощью электрохимических определений.
Катализ
Благодаря своим исследованиям скорости и скорости химических реакций, а также своим исследованиям кислот и оснований, Ostwald обнаружил, что концентрация кислоты или концентрация основания в растворе определённых химических реагентов может оказывать сильное влияние на скорость химических процессов. Он понял, что это проявление концепции химического катализа, впервые сформулированной Berzelius. Ostwald сформулировал идею о том, что катализатор — это вещество, которое ускоряет скорость химической реакции без участия в реактантах или продуктах. Успехи Ostwald в понимании химического катализа широко применимы в биологических процессах, таких как ферментативный катализ, а также во многих промышленных процессах. Катализатор используется в процессе производства азотной кислоты, который изобрёл Ostwald.
Кристаллизация
Ostwald изучал поведение кристаллизации твёрдых веществ, особенно тех твёрдых веществ, которые способны кристаллизоваться в различных формах, в явлении, известном как полиморфизм. Он обнаружил, что твёрдые вещества не обязательно кристаллизуются в своей наиболее термодинамически стабильной форме, а вместо этого иногда предпочтительно кристаллизуются в других формах в зависимости от относительных скоростей кристаллизации каждой полиморфной формы. Ostwald обнаружил, что относительные скорости зависели от поверхностного натяжения между твёрдым полиморфом и жидкой формой. Многие обычные материалы демонстрируют такое поведение, включая минералы и различные органические соединения. Это открытие стало известно как правило Ostwald.
Ostwald понял, что твёрдые или жидкие растворы могут продолжать эволюционировать с течением времени. Хотя нетермодинамически предпочтительный полиморф может кристаллизоваться первым, более термодинамически стабильные формы могут продолжать развиваться по мере старения раствора. Часто это приводит к образованию крупных кристаллов, так как они более термодинамически стабильны, чем большое количество мелких кристаллов. Это явление стало известно как созревание Ostwald и наблюдается во многих ситуациях. Повседневный пример — зернистая текстура, которую со временем приобретает мороженое. В геологической шкале времени многие минералы демонстрируют созревание Ostwald по мере эволюции их кристаллических форм с возрастом минерала.
В отношении растворимости и кристаллизации было открытие Ostwald о том, что растворение твёрдого вещества зависит от размера кристалла. Когда кристаллы маленькие, обычно менее микрона, растворимость твёрдого вещества в растворе увеличивается. Ostwald количественно определил этот эффект математически в отношении, которое стало известно как уравнение Ostwald-Freundlich. Ostwald впервые опубликовал свои находки в 1900 году, и его математическое уравнение было уточнено немецким химиком Herbert Freundlich в 1909 году. Это математическое соотношение также применяется к парциальному давлению вещества в системе. Уравнение Ostwald-Freundlich учитывает поверхностное натяжение частицы в системе, а также кривизну и температуру. Зависимость растворимости от размера иногда используется при формулировании фармацевтических препаратов с низкой растворимостью для повышения их усвояемости пациентом. Зависимость от размера также играет роль в созревании Ostwald.
Сотрудничая с немецким химиком Raphael E. Liesegang, Ostwald признал, что вещества могут кристаллизоваться периодическим образом, при котором поведение кристаллизации следует пространственной или временной схеме. При определённых обстоятельствах результат этого периодического поведения кристаллизации легко визуально наблюдается, например, в различных геологических образованиях. Liesegang ранее исследовал это явление в конкретных лабораторных экспериментах и показал результаты Ostwald. Затем Ostwald разработал математическую модель для этого явления, которая служила объяснением наблюдений, и понял, насколько широко распространено периодическое поведение кристаллизации. Эти наблюдения стали известны как кольца Liesegang.
Атомная теория
Ostwald ввёл слово моль в лексикон химии примерно в 1900 году. Он определил один моль как молекулярный вес вещества в единицах массы граммов. Концепция была связана с идеальным газом согласно Ostwald. Иронично, что разработка Ostwald концепции моля была напрямую связана с его философским противостоянием атомной теории, против которой наряду с Ernst Mach он был одним из последних противников. Он объяснил в разговоре с Arnold Sommerfeld, что его убедили эксперименты Jean Perrin по броуновскому движению.
В 1906 году Ostwald был избран членом Международного комитета по атомным весам. В результате Первой мировой войны это членство прекратилось в 1917 году и не было восстановлено после войны. Годовой отчёт комитета 1917 года завершился необычной примечанием: "Из-за европейской войны комитет испытал большие трудности в соответствии. О немецком члене, профессоре Ostwald, не было слышно в связи с этим отчётом. Возможно, цензура писем, либо в Германии, либо в пути, привела к утрате".
Научные измерения
В рамках исследований Ostwald химического равновесия, химического сродства и взаимодействия кислота-основание он признал, что многие установленные аналитические методы нарушают исследуемые химические системы. Поэтому он обратился к физическим измерениям как вспомогательным методам для понимания этих важных базовых явлений. Одним из таких физических измерений является измерение вязкости или сопротивления потоку жидкости. Ostwald изобрёл устройство для этой цели, состоящее из колб, которые служат резервуарами для жидкости с капиллярной или тонкой трубкой между резервуарами. Время, необходимое жидкости для прохождения через капилляр из одного резервуара в другой, указывает на вязкость жидкости. Используя эталонный раствор, вязкость жидкости можно количественно определить. Ostwald обычно использовал это устройство для изучения поведения растворённых веществ в водных растворах. Эти устройства стали известны как вискозиметры Ostwald и широко используются в наше время в исследовательских и контрольных целях.
Ostwald спроектировал пипетку, которая могла использоваться для передачи и измерения жидкостей, особенно сывороток. Этот дизайн был позже улучшен Otto Folin. Этот тип пипетки имеет колбу на нижнем конце как особую конструктивную особенность. Она стала известна как пипетка Ostwald-Folin и широко используется в наше время.
Наука о цвете
После выхода на пенсию в 1906 году Ostwald заинтересовался систематизацией цветов, которая могла быть полезна как в науке, так и в искусстве. Он опубликовал The Color Primer и также The Color Atlas в период 1916–8. Эти публикации установили отношения между различными визуальными цветами.
