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  • 威廉·奥斯特瓦尔德

    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。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 威廉·奥斯特瓦尔德 英文名: Friedrich Wilhelm Ostwald
    别名: 奥斯特瓦尔德 民族: 日耳曼
    国籍: 德国籍俄罗斯帝国 星座: 处女座
    去世日期: 1932年4月4日 职业: 著名物理化学家 莱比锡大学;加州大学伯克利分校教授
    毕业院校: 多帕特大学 代表作品: 《自然哲学概论》1902;《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);《生命线·自传111》(1927)
    籍贯: 拉脱维亚里加

    目录

    人物生平/威廉·奥斯特瓦尔德 编辑

    威廉·奥斯特瓦尔德 威廉·奥斯特瓦尔德

    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。

    奥斯特瓦尔德色相立体模型 奥斯特瓦尔德色相立体模型

    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年奥斯特瓦尔德因尿毒症在莱比锡去世,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/威廉·奥斯特瓦尔德 编辑

    编写与翻译化学

    范托夫(左)和奥斯特瓦尔德 范托夫(左)和奥斯特瓦尔德

    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

    威廉·奥斯特瓦尔德 威廉·奥斯特瓦尔德

    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”。

    化学热力学研究

    电离浓度关系表 电离浓度关系表

    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·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中晶相共存的情况。

    奥斯特瓦尔德熟化的基本表示 奥斯特瓦尔德熟化的基本表示

    二、奥斯瓦尔德熟化(Ostwald Ripening)。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

    玻耳兹曼 玻耳兹曼

    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/威廉·奥斯特瓦尔德 编辑

    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/威廉·奥斯特瓦尔德 编辑

    • 1909年诺贝尔化学奖获得者

    • 德国诺贝尔奖获得者

    • 瑞典皇家科学院院士

    • 普鲁士科学院院士

    • 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/威廉·奥斯特瓦尔德 编辑

    《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

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