物理化学之父

威廉·奥斯特瓦尔德(Wilhelm Ostwald)出生于150年前的今天，他以催化和化学亲和性方面的研究而闻名。迈克尔·萨顿描述了这个精力充沛的人的生活。

在艰苦的职业生涯中，威廉·奥斯特瓦尔德出版了45本书，500多篇文章，约5000篇评论。他还编辑了6种学术期刊，并组织重印了一系列历史悠久的化学论文。到他50岁生日时，他已经指导了147名研究生，其中34人成为了教授。他被60多所大学和学术团体授予荣誉，并于1909年获得诺贝尔化学奖。奥斯特瓦尔德积极关注哲学、社会和政治问题，并为世界和平和国际理解事业投入了大量时间和精力。他总是对艺术感兴趣，年轻时在一个弦乐四重奏中担任中提琴，退休后成为一名热情的风景画家。52年来，他与海伦娜·冯·莱赫(Helene von Reyher)幸福地结婚了，两人育有两个女儿和三个儿子。奥斯特瓦尔德将他一生的大部分时间用于能源研究，这似乎是完全合适的。

奥斯特瓦尔德的家庭属于里加的德国人社区，里加现在是拉脱维亚的首都，但当时是俄罗斯帝国的一部分。戈特弗里德·威廉·奥斯特瓦尔德(Gottfried Wilhelm Ostwald)是一位制桶大师，他的妻子伊丽莎白(Elisabeth) (n?e Leuckel)，一位烘焙大师的女儿。他们的第二个孩子出生于1853年9月2日，被命名为弗里德里希·威廉，并在里加体育馆(高中)接受教育。他的父亲希望这个男孩成为一名工程师，但1872年威廉进入多帕特大学学习化学。(多帕特当时也在俄罗斯的统治之下——改名为塔尔图，现在在爱沙尼亚境内。)起初，奥斯特瓦尔德忽视了官方课程，热衷于艺术、音乐、哲学和欢乐的学生生活。然而，他在最后一刻的死记硬背使他通过了理论化学课程，并于1875年被卡尔·施密特的实验室录取。奥斯特瓦尔德很快就从日常练习发展到原创研究，并于1878年获得博士学位。作为实验室助理的兼职工作使他能够继续在多帕特进行研究，直到1881年他成为里加理工学院的化学教授。

奥斯特瓦尔德一直留在里加，直到1887年被召到莱比锡担任主席。那一年，他创办了《时代周刊》(Zeitschrift f?《物理学化学》一书很快使他成为科学界有影响力的人物。但那时，他的许多重要研究已经在远离欧洲主要科学中心的地方完成了，使用的是廉价的自制仪器。奥斯特瓦尔德认为，正是这种与学术主流的隔绝使他倾向于不受欢迎的物理化学领域。当他同时代的大多数人都忙着发现新物质和新反应时，他却试图理解推动反应和使分子结合在一起的力量。多年来，他一直在测量伴随化学过程的物理参数的变化。一个早期的项目是试图估计各种物质的相对亲和力，使用一对具有相同成分的化合物。

例如，假设A和A*是两种酸，B是与它们结合的碱。然后，如果AB的溶液与a *的溶液混合，一定数量的a被a *取代，产生AB和a *B的混合物(两种游离酸的数量成比例)。奥斯特瓦尔德使用精密的体积测量来研究这种类型的反应。假设将1升含有1克分子a的水溶液加入到同样含有1克分子的B溶液中。最终的体积将与2l略有不同，我们称之为v，同样，如果将1l类似的a *溶液加入到一升类似的B溶液中，这种混合物的体积将与2l不同，v*。如果1l AB溶液和1l等价的A*溶液混合，那么混合物与2l不同的体积v#表示AB转化为A*B的量。根据这些体积变化，奥斯特瓦尔德可以比较A和B之间以及A*和B之间的吸引力的强度。

19世纪70年代末，奥斯特瓦尔德通过测量伴随化学反应的体积变化(以及折射率等其他物理参数)来比较亲和性，取得了相当大的成功。他的结果大体上符合质量作用定律，即化学反应产物的数量与反应物的浓度有关。两个挪威人，Peter Guldberg和Cato Waage，在1864年开始的一系列论文中阐述了该法律并探讨了其含义。然而，直到奥斯特瓦尔德(Ostwald)在19世纪80年代早期公布并扩展了他们的工作，他们的工作几乎一直没有被注意到。

与此同时，荷兰物理化学家雅各布·范霍夫(1852-1911)展示了如何从热力学原理直接推导出实验得出的质量作用定律。他发现溶解物质的分子在某些方面表现得像气态的分子。特别是，通用气体方程PV = RT经常准确地应用于溶液(P代表渗透压，V是含有一克溶质分子的体积)。奥斯特瓦尔德是最先认识到这一突破重要性的人之一。不幸的是，有一个困难。气体常数R有时必须乘以任意一个数字，才能使方程符合观测结果。当瑞典物理化学家Svante Arrhenius提出离子离解理论时，这个乘数——“范霍夫i因子”的意义变得清晰起来。

奥斯特瓦尔德在阿伦尼乌斯(Arrhenius) 1884年关于电解质导电性的博士论文中隐约看到了这一见解的意义。两人成了朋友和合作者，奥斯特瓦尔德的《时代》(Zeitschrift f?1887年的《物理化学》。他们表明范霍夫的i因子不是任意的——它代表了溶解分子分离成带相反电荷的离子的比例。溶液施加的渗透压被认为与溶解粒子的数量成正比，而不是与溶解分子的数量成正比。到目前为止，奥斯特瓦尔德的主要作用是澄清、协调和扩展范霍夫和阿伦尼乌斯的思想。然而，在1887年，他做出了一个开创性的贡献——奥斯特瓦尔德稀释定律，通常表述如下:

一个²/ (1 -一个）v＝k

(其中a表示离子解离度，v表示含有1克分子的溶液体积，单位为升，k为常数。)奥斯特瓦尔德很快意识到k也是许多这种形式的解离反应的平衡常数:

AB

一个⁺+ B^-

奥斯特瓦尔德和他的合作者表明，数百种水溶性酸碱服从稀释定律，而它们在溶液中的行为符合一般离子理论。他们欢呼这是化学新时代的开始，但其他人对此表示怀疑。批评人士指出，只有弱电解质才符合奥斯特瓦尔德、阿伦尼乌斯和范霍夫发现的规律——事实上，直到20世纪20年代，彼得·德拜、埃里希·H?ckel和Lars Onsager发展了一个令人满意的强电解质理论，该理论用离子间吸引力解释了它们的异常行为。

除了研究已经达到平衡的化学反应外，奥斯特瓦尔德和他的学生们还测量了反应达到平衡状态的速率。这些动力学研究表明，虽然催化剂可以改变反应速率，但它们不会改变最终产物的比例。这一发现对工业和化学理论产生了深远的影响。这被引用为奥斯特瓦尔德获得诺贝尔奖的主要原因——颁奖者宣布:“催化，以前似乎是一个隐藏的秘密，因此已经成为……可用于精确的科学研究”。

奥斯特瓦尔德还对测量化学反应中吸收或释放的能量感兴趣。他很快意识到，美国物理学家威拉德·吉布斯(Willard Gibbs)的热力学研究在这方面很有用。吉布斯的大量数学论文对欧洲化学家来说很难读懂，但奥斯特瓦尔德努力让他们更容易读懂，同时总是把作者的全部功劳都给了他。

到了19世纪90年代，奥斯特瓦尔德深深沉浸在围绕能量概念的理论和哲学问题中。他开始相信物质不过是“心灵为了理解能量的运作而创造出来的海市蜃楼”。虽然他承认原子和分子是我们观察中统计规律的方便符号，但他坚持认为，科学的基本真理应该用能量学来表达，而不需要参考这些假设的粒子。1909年，经过一番争论，奥斯特瓦尔德终于被新的物理证据(包括让·佩兰对布朗运动的研究)说服，接受了原子的存在。然而，他顽固的怀疑主义促使人们重新评估那些无法直接观察到的实体的实验依据。

在1906年从学术界退休后，奥斯特瓦尔德从事了各种各样的慈善活动。有些产生了有价值的结果，有些则完全失败，但所有这些都是基于对科学进步和人道主义价值观的承诺。他试图将伊多语(世界语的改良版)推广为国际语言，但很少有人皈依他。他与乌托邦生物学家兼哲学家恩斯特·海克尔(Ernst Haeckel)和他的“一元论联盟”(Monist League)合作收效甚微，却给奥斯特瓦尔德造成了巨大的经济损失。他为Der Br?cke (The Bridge)——一个旨在促进和协调跨越国界的智力和文化活动的组织——同样没有收获。在较为有限的科学合作领域，他在建立国际化学学会协会方面发挥了重要作用。然而，1914年战争的爆发标志着奥斯特瓦尔德扩大国际合作的希望破灭。

作为一个爱国者，而不是军国主义者，奥斯特瓦尔德希望尽快达成体面的和平协议。因此，德国人批评他缺乏热情，国外的朋友也批评他不愿公开谴责战争。在这种令人沮丧的气氛中，奥斯特瓦尔德放弃了公共事务，开始了最后一个研究项目。他总是着迷于科学与艺术之间的边界，对色彩现象和我们对它们的感知进行了系统的分析。他的目的是用定量的和客观的颜色分类来补充我们对颜色的主观的和定性的分类，并建立类似于音乐的调和规则的颜色和谐的原则。

他在这方面取得了相当大的成功，他的颜色分类系统被广泛采用。在他生命的最后几年里，奥斯特瓦尔德转向了对美学哲学的更广泛的思考，以及我们对和谐和比例意识的科学原则。他于1932年4月4日去世。不久之后，他以前的学生怀尔德·班克罗夫特(Wilder Bancroft)总结了他一生的影响:“他比我们这个时代的任何化学家都受到更多的人的爱戴和追随。”

资料来源:英国化学

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迈克尔·萨顿

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