Фридрих Вильгельм Оствальд: Химик и философ

Введение

Балтийский немецкий химик (1853–1932)

Фридрих Вильгельм Оствальд (; 2 сентября 1853 [по ст. ст. 21 августа 1853] – 4 апреля 1932) был балтийским немецким химиком и философом. Оствальда считают одним из основателей физической химии вместе с Якобусом Хенрикусом ван ’т Хоффом, Вальтером Нернстом и Сванте Аррениусом. В 1909 году он получил Нобелевскую премию по химии за научные достижения в области катализа, химического равновесия и скорости реакций. После выхода на пенсию в 1906 году Оствальд активно занялся философией, искусством и политикой, внеся значительный вклад в каждую из этих областей. Его описывают как универсального ученого. Некоторое время он зарабатывал на жизнь, преподавая математику и естественные науки в гимназии в Дерпте (Дорпате). Оствальд проявлял глубокий интерес к вопросам химической сродства и реакциям, в результате которых образуются химические соединения. Это был центральный теоретический вопрос, стоявший перед химиками того времени. В рамках своих ранних работ Оствальд разработал трехмерную таблицу сродства, учитывающую влияние температуры, а также константы сродства кислот и оснований. В 1878 году Оствальд защитил докторскую диссертацию в Дерптском университете под руководством Карла Шмидта. Диссертация называлась Volumchemische und Optisch Chemische Studien («Объемные и оптико-химические исследования»). В 1881 году Оствальд стал профессором химии в Рижском политехническом институте (ныне Рижский технический университет). В 1887 году он переехал в Лейпцигский университет, где занял должность профессора физической химии. Оствальд оставался на преподавательской работе в Лейпцигском университете до выхода на пенсию в 1906 году. В 1904 и 1905 годах он также был первым «профессором по обмену» в Гарвардском университете. За время своей академической карьеры Оствальд руководил многими научными студентами, которые впоследствии сами стали выдающимися учеными, в том числе будущими лауреатами Нобелевской премии Сванте Аррениусом, Якобусом Хенрикусом ван ’т Хоффом и Вальтером Нернстом. Среди других его учеников были Артур Нойс, Уиллис Родни Уитни и Кикунаэ Икеда. Все эти студенты внесли заметный вклад в развитие физической химии. В 1901 году Альберт Эйнштейн подал заявку на должность исследователя в лабораторию Оствальда, за четыре года до публикации его специальной теории относительности. Оствальд отклонил заявление Эйнштейна, однако позже они прониклись взаимным уважением. Впоследствии Оствальд выдвигал Эйнштейна на Нобелевскую премию в 1910 и 1913 годах. После выхода на пенсию в 1906 году Оствальд активно занимался философией, политикой и другими гуманитарными науками. Патент Оствальда использовал катализатор и описывал условия, при которых выход азотной кислоты приближался к теоретическому пределу. Некоторые аспекты этого процесса были запатентованы Кульманом примерно за 64 года до этого. Процесс Кульмана не получил промышленного применения, вероятно, из-за отсутствия недорогого источника аммиака. Вскоре после открытия Оствальда дешевый аммиак стал доступен благодаря изобретению Габером и Бошем процесса фиксации азота (завершенного в 1911 или 1913 году) для синтеза аммиака. Сочетание этих двух достижений вскоре привело к более экономичному и крупномасштабному производству удобрений и взрывчатых веществ, в которых Германия испытывала недостаток во время Первой мировой войны. Этот процесс часто называют процессом Оствальда.

Friedrich Wilhelm Ostwald (; 2 September 1853 [O. S. 21 August 1853]4 April 1932) was a Baltic German chemist and philosopher. Ostwald is credited with being one of the founders of the field of physical chemistry, with Jacobus Henricus van 't Hoff, Walther Nernst, and Svante Arrhenius. He received the Nobel Prize in Chemistry in 1909 for his scientific contributions to the fields of catalysis, chemical equilibria and reaction velocities. Following his 1906 retirement from academic life, Ostwald became much involved in philosophy, art, and politics. He made significant contributions to each of these fields. He has been described as a polymath. He also supported himself for a time by teaching mathematics and science at a Dorpat high school. Ostwald was deeply interested in questions of chemical affinity and the reactions that formed chemical compounds. This was the central theoretical question facing chemists at the time. As part of his early work, Ostwald developed a three dimensional affinity table that took into account the effects of temperature as well as the affinity constants of acids and bases. Ostwald published his doctoral dissertation at the University of Dorpat in 1878, with Carl Schmidt as his thesis advisor. His doctoral thesis was entitled Volumchemische und Optisch Chemische Studien ("Volumetric and Optical Chemical Studies"). In 1881, Ostwald became a Professor of Chemistry at the Riga Polytechnicum (now Riga Technical University). In 1887, he moved to Leipzig University where he became Professor of Physical Chemistry. Ostwald remained on the faculty at Leipzig University until his retirement in 1906. He also served as the first "exchange professor" at Harvard University in 1904 and 1905. During Ostwald's academic career, he had many research students who became accomplished scientists in their own right. These included future Nobel Laureates Svante Arrhenius, Jacobus Henricus van 't Hoff, and Walther Nernst. Other students included Arthur Noyes, Willis Rodney Whitney and Kikunae Ikeda. All of these students became notable for their contributions to physical chemistry. In 1901, Albert Einstein applied for a research position in Ostwald's laboratory. This was four years before Einstein's publication on special relativity. Ostwald rejected Einstein's application, although later the two developed strong mutual respect. Subsequently, Ostwald nominated Einstein for the Nobel Prize in 1910 and again in 1913. Following his 1906 retirement, Ostwald became active in philosophy, politics, and other humanities. Ostwald's patent made use of a catalyst and described conditions under which the yield of nitric acid was near the theoretical limit. Aspects of the basic process had also been patented some 64 years earlier by Kuhlmann. Kuhlmann's process did not become industrially significant, likely due to the lack of an inexpensive source of ammonia. Shortly after Ostwald's finding, inexpensive ammonia became available as a result of Haber and Bosch's invention of a process for nitrogen fixing process (completed by 1911 or 1913) for ammonia synthesis. The combination of these two breakthroughs soon led to more economical and larger scale production of fertilizers and explosives, of which Germany was in short supply during World War I. The process is often referred to as the Ostwald Process.

Катализ

Благодаря своим исследованиям скоростей химических реакций и изучению кислот и оснований, Оствальд обнаружил, что концентрация кислоты или основания в растворе определенных химических реагентов может сильно влиять на скорость химических процессов. Он понял, что это проявление концепции химического катализа, впервые сформулированной Берцелиусом. Оствальд сформулировал идею о том, что катализатор – это вещество, которое ускоряет скорость химической реакции, не являясь частью ни реагентов, ни продуктов. Достижения Оствальда в понимании химического катализа широко применялись в биологических процессах, таких как ферментативный катализ, а также во многих промышленных процессах. Катализатор используется в процессе производства азотной кислоты, изобретенном Оствальдом.

Кристаллизация

Оствульд изучал поведение кристаллизации твердых тел, особенно тех, которые способны кристаллизоваться в различных формах, в явлении, известном как полиморфизм. Он обнаружил, что твердые тела не обязательно кристаллизуются в своей наиболее термодинамически стабильной форме, но вместо этого иногда предпочтительно кристаллизуются в других формах, зависящих от относительных скоростей кристаллизации каждой полиморфной модификации. Оствульд установил, что относительные скорости зависят от поверхностного натяжения между твердой полиморфной формой и жидкой фазой. Многие распространенные материалы демонстрируют подобное поведение, включая минералы и различные органические соединения. Это открытие получило название правила Оствульда. Оствульд пришел к выводу, что твердые или жидкие растворы могут продолжать эволюционировать со временем. Хотя термодинамически менее предпочтительная полиморфная форма может кристаллизоваться первой, более термодинамически стабильные формы могут продолжать формироваться по мере старения раствора. Зачастую это приводит к образованию крупных кристаллов, поскольку они более термодинамически стабильны, чем большое количество мелких кристаллов. Это явление получило название созревания Оствальда и наблюдается во многих ситуациях. Примером из повседневной жизни является зернистая текстура, которая появляется в мороженом по мере его хранения. В геологическом масштабе времени многие минералы демонстрируют созревание Оствальда, поскольку их кристаллические формы изменяются с возрастом минерала. В связи с растворимостью и кристаллизацией, Оствульд обнаружил, что растворение твердого тела зависит от размера кристалла. Когда кристаллы малы, как правило, менее микрона, растворимость твердого вещества в растворе увеличивается. Оствульд количественно оценил этот эффект математически, сформулировав соотношение, известное как уравнение Оствальда — Фрёндлиха. Оствульд впервые опубликовал свои результаты в 1900 году, а его математическое уравнение было уточнено немецким химиком Гербертом Фрёндлихом в 1909 году. Эта математическая зависимость также применима к парциальному давлению вещества в системе. Уравнение Оствальда — Фрёндлиха учитывает поверхностное натяжение частицы в системе, а также ее кривизну и температуру. Зависимость растворимости от размера иногда используется при разработке фармацевтических препаратов с низкой растворимостью для повышения их усвояемости организмом. Зависимость от размера также играет роль в процессе созревания Оствальда. В сотрудничестве с немецким химиком Рафаэлем Лизегангом, Оствульд обнаружил, что вещества могут кристаллизоваться периодически, при этом поведение кристаллизации подчиняется пространственной или временной закономерности. В определенных условиях результат этого периодического поведения кристаллизации легко наблюдать визуально, например, в различных геологических образованиях. Лизеганг ранее исследовал это явление в конкретных лабораторных экспериментах и показал свои результаты Оствульду. Затем Оствульд разработал математическую модель этого явления, которая позволила объяснить наблюдения и понять, насколько широко распространено периодическое поведение кристаллизации. Эти наблюдения стали известны как кольца Лизеганга.

Ostwald studied the crystallization behavior of solids, especially those solids that are capable of crystallizing in different forms, in the phenomenon known as polymorphism. He discovered that solids do not necessarily crystallize in their most thermodynamically stable form but instead sometimes crystallize preferentially in other forms dependent on the relative rates of crystallization of each polymorphic form. Ostwald found that the relative rates were dependent on the surface tension between the solid polymorph and the liquid form. Many common materials exhibit this type of behavior, including minerals and various organic compounds. This finding came to be known as Ostwald's rule. Ostwald realized that solid or liquid solutions can continue to evolve over time. While the a non thermodynamically preferred polymorph may crystallize first, more thermodynamically stable forms can continue to develop as the solution ages. Often this results in large crystals forming, since they are more thermodynamically stable than are large numbers of small crystals. This phenomenon came to be known as Ostwald Ripening and is observed in many situations. An everyday example is the gritty texture that ice cream develops as it ages. On a geologic timescale, many minerals exhibit Ostwald Ripening as their crystal forms evolve as the mineral ages. Related to solubility and crystallization was Ostwald's finding that dissolution of a solid depends on the size of the crystal. When the crystals are small, typically less than a micron, the solubility of the solid in the solution phase is increased. Ostwald quantified this effect mathematically in a relationship that became known as the Ostwald Freundlich equation. Ostwald first published his finding in 1900, and his mathematical equation was refined by German chemist Herbert Freundlich in 1909. This mathematical relationship also applies to the partial pressure of substance in the system. The Ostwald Freundlich equation takes into account the surface tension of the particle in the system, in addition to curvature and temperature. The size dependence of solubility is sometimes utilized in the formulation of pharmaceuticals that have low solubility so as to enhance their uptake by the patient. The size dependence also has a role in Ostwald Ripening. Collaborating with German chemist Raphael E. Liesegang, Ostwald recognized that substances can crystallize in a periodic fashion wherein the crystallization behavior follows a spatial or temporal pattern. In certain circumstances, the result of this periodic crystallization behavior is easily visually observed, for example, in various geologic formations. Liesegang had previously investigated this phenomenon in specific laboratory experiments, showing his results to Ostwald. Ostwald then developed a mathematical model for the phenomenon that served to explain the observations and realized how widespread is the periodic crystallization behavior. These observations came to be known as Liesegang rings.

Атомная теория

Оствульд ввел слово "моль" в химическую терминологию около 1900 года. Он определил один моль как молекулярный вес вещества, выраженный в граммах. Эта концепция, по словам Оствульда, была связана с идеальным газом. Ирония заключается в том, что разработка Оствульдом понятия моля была напрямую связана с его теорией энергетизма, которая находилась в философском противостоянии с атомной теорией, против которой он (вместе с Эрнстом Махом) был одним из последних приверженцев. В беседе с Арнольдом Зоммерфельдом он объяснил, что был убежден экспериментами Жана Перрена по броуновскому движению. В 1906 году Оствульд был избран членом Международного комитета по атомным массам. В результате Первой мировой войны его членство прекратилось в 1917 году и не было восстановлено после войны. Годовой отчет комитета за 1917 год завершался необычной примечанием: "Из-за европейской войны Комитет испытывал значительные трудности в переписке. От немецкого члена, профессора Оствульда, не поступило никаких сведений в связи с этим отчетом. Возможно, цензура корреспонденции, как в Германии, так и по пути следования, привела к потере письма".

Научные измерения

В рамках исследований Оствальда в области химического равновесия, химической аффинности и взаимодействия кислот и оснований, он пришел к выводу, что многие устоявшиеся аналитические методы нарушают химические системы, находящиеся под исследованием. Поэтому он обратился к физическим измерениям как к вспомогательным методам для понимания этих важных фундаментальных явлений. Одним из таких физических измерений является измерение вязкости, или сопротивления течению, жидкости. Оствальд изобрел для этой цели устройство, состоящее из колб, служащих резервуарами для жидкости, между которыми располагается капилляр, или тонкая трубка. Время, за которое жидкость протекает через капилляр из одного резервуара в другой, является показателем вязкости жидкости. С использованием эталонного раствора можно количественно определить вязкость жидкости. Оствальд обычно использовал это устройство для изучения поведения растворенных веществ в водных растворах. Эти устройства стали известны как вязкомеры Оствальда и широко используются в настоящее время для научных исследований и контроля качества. Оствальд также разработал пипетку для переноса и измерения жидкостей, особенно серозных. Эта конструкция была впоследствии усовершенствована Отто Фолином. Отличительной особенностью этой пипетки является наличие расширения в нижнем конце. Она получила название пипетки Оствальда-Фолина и широко используется и сегодня.

Наука о цвете

После ухода в отставку из академической среды в 1906 году Оствальд заинтересовался систематизацией цветов, что могло быть полезно как в науке, так и в искусстве. В период с 1916 по 1918 год он опубликовал "Руководство по цвету" и "Атлас цветов". Эти публикации установили взаимосвязи между различными визуальными цветами. Значительная часть работы Оствальда по систематизации цвета была выполнена в сотрудничестве с Deutscher Werkbund, объединением художников и архитекторов. Он был главным редактором этой организации до 1922 года. В 1894 году Оствальд основал Германское электрохимическое общество, которое впоследствии стало Deutsche Bunsen Gesellschaft für angewandte physikalische Chemie [Германское общество Бунзена по прикладной физической химии]. В 1889 году он создал журнал Klassiker der exakten Wissenschaften, в котором было опубликовано более 250 томов. В 1911 году Оствальд основал Ассоциацию химических обществ, целью которой было объединение и повышение эффективности различных химических обществ. Эта ассоциация является примером научной организации. Оствальд был первым президентом Ассоциации химических обществ.

Научный вклад в гуманитарные науки и политику

В дополнение к своим исследованиям в области химии, Вильгельм Оствальд был продуктивен в широком спектре областей. Его опубликованные работы, включающие многочисленные философские труды, насчитывают около сорока тысяч страниц. Оствальд также участвовал в мирном движении Берты фон Зуттнер. Среди прочих интересов, Оствальд был страстным художником-любителем, самостоятельно изготавливавшим пигменты. Для Оствальда наука и искусство были взаимодополняющими областями деятельности, оказавшими влияние на Пауля Клее и других членов школы Баухаус. Теории Оствальда также повлияли на американцев Фабера Биррена и Эгберта Джейкобсона. Оствальд пожертвовал половину призовых денег, полученных с Нобелевской премии 1909 года, движению Идо, финансируя журнал «Progreso», который он предложил создать в 1908 году. Позже Оствальд разработал собственный язык – Weltdeutsch – в период крайней националистической напряженности во время Первой мировой войны. Одной из постоянных целей Оствальда было объединение посредством систематизации. В частности, он считал, что энергоэффективность является объединяющим принципом во всех сферах общества и культуры. В политической сфере интерес Оствальда к энергоэффективности распространялся на вопросы организации труда. Изначально монизм был либеральным, пацифистским и интернациональным, стремясь найти в науке основу для ценностей, поддерживающих социальные и политические реформы. Сам Оствальд разработал систему этики, основанную на науке, вокруг ключевой идеи о том, что следует "не тратить энергию, а преобразовывать ее в наиболее полезную форму". В 1911 году Оствальд стал президентом Немецкого монистического союза (Deutscher Monistenbund), основанного Эрнстом Геккелем. Оствальд (и другие монисты) пропагандировали евгенику и эвтаназию, но только как добровольный выбор с целью предотвращения страданий. Считается, что популяризация этих идей монистами косвенно способствовала принятию более позднего социального дарвинизма национал-социалистами. Оствальд умер до того, как нацисты приняли и ввели в действие принудительную государственную политику евгеники и эвтаназии для поддержки своих расистских идеологических установок.

In addition to his research in chemistry, Wilhelm Ostwald was productive in a broad range of fields. His published work, which includes numerous philosophical writings, contains about forty thousand pages. Ostwald was also engaged in the peace movement of Berta von Suttner. Among his other interests, Ostwald was a passionate amateur painter who made his own pigments. For Ostwald, science and the arts were mutually supportive areas of engagement. and Paul Klee and other members of the Bauhaus school. Ostwald's theories also influenced Americans Faber Birren and Egbert Jacobson. Ostwald donated half the proceedings of his 1909 Nobel prize to the Ido movement, funding the Ido magazine Progreso which he had proposed in 1908. Ostwald later went on to create his own language Weltdeutsch in a period of extreme nationalism during the First World War. One of Ostwald's continuing interests was unification through systematization. In particular, Ostwald perceived that energy efficiency was a unifying theme in all facets of society and culture. In political matters, Ostwald's interest in energy efficiency extended to such political matters as the need for organization of labor. Initially, Monism was liberal, pacifist, and international, seeking in science a basis of values to support social and political reforms. Ostwald himself developed a system of ethics based on science, around the core idea that one should "not waste energy, but convert it into its most useful form." in 1911, Ostwald became President of the Deutscher Monistenbund (Monist Association), founded by Ernst Haeckel. Ostwald (and other Monists) promoted eugenics and euthanasia, but only as voluntary choices with the intention of preventing suffering. Monist promotion of such ideas is suggested to have indirectly facilitated acceptance of the later Social Darwinism of the National Socialists. Ostwald died before the Nazis adopted and enforced the use of eugenics and euthanasia as involuntary government policies, to support their racist ideological positions.

Почести и награды

Оствульд был избран международным почётным членом Американской академии искусств и наук в 1905 году и международным членом Национальной академии наук США в 1906 году. Он получил Нобелевскую премию по химии в 1909 году за вклад в понимание катализа и за исследования фундаментальных принципов, лежащих в основе химического равновесия и скоростей реакций. Он был номинирован на Нобелевскую премию 20 раз, начиная с 1904 года, и представил девять номинаций других учёных на Нобелевскую премию после получения собственной награды. Среди них были две номинации Альберта Эйнштейна. В 1912 году он был избран международным членом Американского философского общества. В 1923 году Оствульд был удостоен медали Вильгельма Экнера, которая отмечала экономическое влияние научных достижений Оствульда. В 1904 году он был избран иностранным членом Королевской Нидерландской академии искусств и наук. Он стал почётным членом научных обществ Германии, Швеции, Норвегии, Нидерландов, России, Великобритании и Соединённых Штатов. Оствульд получил почётные докторские степени в различных университетах Германии, Великобритании и Соединённых Штатов. В 1899 году он был пожалован в тайные советники (Geheimrat) королём Саксонии, что к тому времени являлось признанием научных заслуг Оствульда. Кратер Оствальд, расположенный на обратной стороне Луны, был назван в его честь.

Личная жизнь

24 апреля 1880 года Оствальд женился на Хелене фон Рейхер (1854–1946), с которой у него было пятеро детей: Грете (1882–1960), родившаяся в Риге и умершая в Гросботине; Вольфганг (1883–1943), родившийся в 1883 году в Риге и умерший в Дрездене; Элизабет (1884–1968), родившаяся в Риге и умершая в Гросботине; Вальтер (1886–1958), родившийся в Риге и умерший во Фрайбурге им Брейсгау; и Карл Отто (1890–1958), родившийся в Лейпциге и умерший в Лейпциге. Вольфганг Оствальд стал известным ученым в области коллоидной химии. Оствальд был посвящен в масонство шотландского обряда и стал Великим Мастером Великой Ложи «Zur Aufgehenden Sonne» в Байройте. В 1887 году он переехал в Лейпциг, где работал до конца своей жизни. После выхода на пенсию он переехал в загородное поместье недалеко от Гросботена, Саксония, которое назвал «Landhaus Energie». Он прожил в этом поместье большую часть оставшейся жизни. Оствальд умер в больнице в Лейпциге 4 апреля 1932 года.

В художественной литературе

Оствульд появляется в романе Джозефа Скибелла 2010 года "Лечимый романтик". Он также упоминается в романе Итало Свево 1923 года "La coscienza di Zeno", переведенном как "Совесть Зенона".