物理化學(xué)的奠基者：奧斯特瓦爾德

閆蒙鋼 慈潔琳

(安徽師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 安徽蕪湖241000)

弗里德里?！ねW斯特瓦爾德(Friedrich Wilhelm Ostwald，1853—1932)是19世紀(jì)和20世紀(jì)之交偉大的科學(xué)家，是物理化學(xué)的奠基者，也是1909年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的獲得者(圖1)。他除了在物理化學(xué)、催化、氨制硝酸、能量學(xué)、顏色學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域作出開(kāi)創(chuàng)性的貢獻(xiàn)以外，還是一位名副其實(shí)的哲學(xué)家、科學(xué)史家、心理學(xué)家、藝術(shù)家、語(yǔ)言學(xué)家、作家，曾就科學(xué)哲學(xué)、科學(xué)方法論、文化、能源、公共教育、人道主義、戰(zhàn)爭(zhēng)與和平、國(guó)際主義等問(wèn)題提出過(guò)一系列獨(dú)到的見(jiàn)解和行動(dòng)方案。他還是一位享有盛名的教師和勤于筆耕的編輯，一生撰寫(xiě)了45本著作、500篇科學(xué)論文和5000篇評(píng)論文章，并編輯了6種雜志。同文藝復(fù)興時(shí)期多才多藝的達(dá)·芬奇(Leonardo da Vinci)一樣，奧斯特瓦爾德是一位傳奇式的天才［1］。

1 生平介紹

1853年9月2 日，奧斯特瓦爾德出生于里加，雙親是德國(guó)移民的后裔。奧斯特瓦爾德的家境十分貧寒，但自幼多才多藝的他具有愛(ài)好繪畫(huà)的天性以及制作器物的手藝，喜歡閱讀書(shū)籍，對(duì)自然科學(xué)也很感興趣。11歲的他雖然沒(méi)有上過(guò)化學(xué)課，卻能自制焰火和沖洗印照相底片。此時(shí)的奧斯特瓦爾德就像海綿一樣在知識(shí)的海洋里自由地汲取著，并渴望著做一個(gè)純粹的化學(xué)家［2］。

1.1 多帕特時(shí)期(1872—1881)

1872年1 月，18歲的奧斯特瓦爾德進(jìn)入多帕特(Dorpat)大學(xué)學(xué)習(xí)，這里有他夢(mèng)寐以求的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室和浩如煙海的化學(xué)文獻(xiàn)。奧斯特瓦爾德憑借著極強(qiáng)的記憶力和自學(xué)能力，在施密特(Karl Schmidt)教授的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)化學(xué)，在厄廷根(A.von Oettingen)教授的指導(dǎo)下攻讀物理，進(jìn)步很快。1875年1月，奧斯特瓦爾德獲準(zhǔn)大學(xué)畢業(yè)。在大學(xué)期間，奧斯特瓦爾德發(fā)表了論文《論水在化學(xué)上的質(zhì)量作用》，這是奧斯特瓦爾德眾多論著中的第一篇。

大學(xué)畢業(yè)以后，作為物理學(xué)教授厄廷根的助手，奧斯特瓦爾德開(kāi)始在化學(xué)親和力的研究上取得成就。所謂“化學(xué)親和力”(chemical affinity)曾經(jīng)是化學(xué)中的一個(gè)基本概念，是指元素彼此相結(jié)合的特性或發(fā)生在原子之間而引起化學(xué)變化的一種作用。化學(xué)親和力概念后來(lái)演變?yōu)樵觾r(jià)和化學(xué)鍵。奧斯特瓦爾德對(duì)親和力的研究表明，物理性質(zhì)的定量值如體積、折射率等，可能與伴隨化學(xué)變化的量的改變有關(guān)，從而提供了關(guān)于化學(xué)反應(yīng)組分的相對(duì)親和力的信息。奧斯特瓦爾德通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)物理學(xué)方法在解決化學(xué)問(wèn)題時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 奧斯特瓦爾德(1853—1932)

1876年底和1878年底，奧斯特瓦爾德分別以碩士論文《關(guān)于親和力的體積化學(xué)研究》和博士論文《體積化學(xué)和光化學(xué)研究》擴(kuò)大了化學(xué)親和力的研究范圍，確定了大量的酸堿反應(yīng)和其他復(fù)分解反應(yīng)的折射率。他由此得到并證實(shí)了化學(xué)反應(yīng)速率的值，使作為溫度函數(shù)的均相反應(yīng)與多相反應(yīng)的分析得以實(shí)現(xiàn)，并把對(duì)化學(xué)親和力的研究開(kāi)始由定性向定量方向發(fā)展。1881年，奧斯特瓦爾德的老師施密特給里加工學(xué)院院長(zhǎng)寫(xiě)了一封熱情洋溢的推薦信，充分肯定了他的才干和成就。就這樣，28歲的奧斯特瓦爾德接受了邀請(qǐng)，正式成為里加工學(xué)院的化學(xué)教授［3］。

1.2 里加時(shí)期(1882—1887)

1882年，奧斯特瓦爾德赴里加就任，開(kāi)始了緊張的研究階段，著手進(jìn)行題為“化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究”的系列工作。他拋開(kāi)了在多帕特研究的靜止或平衡的方法，而把注意力放在反應(yīng)速度的測(cè)量上。這組論文的第一篇針對(duì)乙酰胺的酸催化的皂化作用和酯的水解作用研究了反應(yīng)速度。在這一研究中，他用很簡(jiǎn)單的方法設(shè)計(jì)了一種有效的恒溫器，這一世界著名的恒溫器立即為許多實(shí)驗(yàn)室普遍采用。接著，他進(jìn)行了蔗糖在各種酸存在時(shí)的轉(zhuǎn)化率的實(shí)驗(yàn)，并估計(jì)出酸的親和力的數(shù)據(jù)。

1886年6 月，奧斯特瓦爾德看到了當(dāng)時(shí)還名不見(jiàn)經(jīng)傳的瑞典年輕人阿倫尼烏斯(Svante Arrhenius，1859—1927)的博士論文《關(guān)于電解的伽伐尼電導(dǎo)率的研究》，并于同年8月親自到烏普拉薩去拜訪這位比自己小6歲的年輕人。這次訪問(wèn)是他們畢生友誼和合作的開(kāi)端，他們規(guī)劃了一系列重大研究項(xiàng)目。

在里加工學(xué)院，奧斯特瓦爾德被證明是一位卓越的教師和出色的研究者。他在這里開(kāi)創(chuàng)了兩項(xiàng)使他聞名于世的事業(yè):其一是出版《普通化學(xué)教程》，其二是籌辦《物理化學(xué)雜志》?！镀胀ɑ瘜W(xué)教程》凝結(jié)了他多年的勞動(dòng)和心血，可以毫不夸張地說(shuō)，它創(chuàng)立了普通化學(xué)和物理化學(xué)，起到了知識(shí)源泉的作用，鼓舞了數(shù)百名年輕人在幾年內(nèi)聚集到奧斯特瓦爾德的旗幟之下。除此之外，奧斯特瓦爾德還清楚地認(rèn)識(shí)到，一種專(zhuān)門(mén)雜志對(duì)于新學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展是必不可少的。因此與范托夫聯(lián)合創(chuàng)辦了《物理化學(xué)雜志》，該雜志發(fā)表了許多最新研究成果，奧斯特瓦爾德還親自動(dòng)手為該雜志寫(xiě)了大量書(shū)評(píng)和科學(xué)論文的摘要。這一雜志成為萊比錫物理化學(xué)學(xué)派的喉舌，成為聯(lián)系各國(guó)物理化學(xué)家的紐帶［3］。

1.3 萊比錫時(shí)期(1887—1905)

1887年，奧斯特瓦爾德離開(kāi)里加，到萊比錫大學(xué)任物理化學(xué)教授，開(kāi)始了他學(xué)術(shù)生涯的黃金時(shí)代，并日漸顯示了他強(qiáng)有力的組織才能，充分發(fā)揮了他的研究才智。他組建了先進(jìn)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，吸引了歐洲各地乃至美國(guó)的年輕研究者來(lái)工作。在他的領(lǐng)導(dǎo)下，萊比錫大學(xué)成為當(dāng)時(shí)歐洲物理化學(xué)研究的一個(gè)中心。

1.3.1 化學(xué)熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)的研究

奧斯特瓦爾德以阿倫尼烏斯的電離理論、范托夫的溶液滲透理論以及熱力學(xué)對(duì)溶液和化學(xué)平衡的應(yīng)用為基礎(chǔ)，在萊比錫迅速建立起著名的萊比錫物理化學(xué)學(xué)派。1888年，奧斯特瓦爾德又以他發(fā)現(xiàn)的稀釋律對(duì)物理化學(xué)的進(jìn)展作出了直接貢獻(xiàn)。他針對(duì)250種酸證實(shí)了稀釋律，得出了描述電導(dǎo)、電離度和離子濃度的關(guān)系式:

KP:在溶液極稀時(shí)近似為常數(shù);α:電離度;c(A-):陰離子濃度;c(K+):陽(yáng)離子濃度;cO:弱酸或弱堿的整體濃度;c(KA):電離后電解質(zhì)的濃度。

該定律的歷史意義在于這是質(zhì)量作用定律首次被用于弱有機(jī)酸和弱堿的稀溶液。1891年，奧斯特瓦爾德立足于離子平衡原理，提出了酸堿指示劑理論，這一理論現(xiàn)在還為一般分析化學(xué)教科書(shū)采用。之后他在《分析化學(xué)的科學(xué)基礎(chǔ)》(1894)中，詳細(xì)論述了以電離為基礎(chǔ)的化學(xué)反應(yīng)理論，這是一部使分析化學(xué)教學(xué)發(fā)生革命的著作。

1.3.2 溶液的依數(shù)性與結(jié)晶學(xué)的研究

在對(duì)溶液的物理化學(xué)研究方面，奧斯特瓦爾德遇到了難以控制穩(wěn)定溫度的問(wèn)題，于是他邀請(qǐng)貝克曼(Beckmann)作為助手設(shè)計(jì)了精確的溫度測(cè)量設(shè)備(即后來(lái)所稱(chēng)的貝克曼溫度計(jì))和恒溫槽，以便精確地研究稀溶液的依數(shù)性，并驗(yàn)證了拉烏爾定律;同時(shí)他還對(duì)范托夫當(dāng)時(shí)提出的滲透壓等概念進(jìn)行了測(cè)量。他還使用精確的溫度測(cè)量設(shè)備進(jìn)行了大量的結(jié)晶學(xué)研究，將物理化學(xué)中的自由能概念引入對(duì)結(jié)晶過(guò)程的分析，提出了兩個(gè)沿用至今的概念，一是奧斯特瓦爾德規(guī)則，即液體在結(jié)晶過(guò)程中，并不會(huì)直接生成最穩(wěn)定的晶相，而是先生成最不穩(wěn)定的晶相，然后隨著溫度的繼續(xù)降低或時(shí)間的推移，逐步向更穩(wěn)定的晶相轉(zhuǎn)變，所以在晶體中會(huì)存在多種晶相共存的情況。另一個(gè)是奧斯特瓦爾德熟化(Ostwald ripening)，如圖2所示，溶液中產(chǎn)生的較小的晶體微粒因曲率較大，能量較高，所以會(huì)逐漸溶解到周?chē)慕橘|(zhì)中，然后在較大的晶體微粒的表面重新析出，這將使較大的晶體微粒進(jìn)一步增大。這一過(guò)程近年來(lái)被廣泛應(yīng)用在納米粒子的制備中。

圖2 奧斯特瓦爾德熟化的基本表示

1.3.3 催化作用的研究

奧斯特瓦爾德在19世紀(jì)最后10年所作出的創(chuàng)造性科學(xué)貢獻(xiàn)是對(duì)催化作用進(jìn)行了系統(tǒng)、定量的研究。早在1883年，他就研究過(guò)蔗糖和甲基乙酸鹽被酸水解的速率。1890年，他報(bào)道了自催化現(xiàn)象，并將其定義為這樣一個(gè)過(guò)程:“通過(guò)某些物質(zhì)的存在，激發(fā)或加速這個(gè)過(guò)程，而這些物質(zhì)卻沒(méi)有顯示出進(jìn)入化合物中?！彼?894年的報(bào)告中，對(duì)催化概念作了新的表述:“催化是通過(guò)外部物質(zhì)的存在加速緩慢進(jìn)行的化學(xué)過(guò)程?！彼汛呋饔帽戎疄闈?rùn)滑油對(duì)機(jī)器的作用和鞭子對(duì)懶馬的作用。他總結(jié)了許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并根據(jù)熱力學(xué)定律，提出了催化劑的另一個(gè)特點(diǎn):在可逆反應(yīng)中，催化劑僅能加速反應(yīng)平衡的到達(dá)，而不能改變平衡常數(shù)。在這一時(shí)期，奧斯特瓦爾德還出版了《接觸作用學(xué)說(shuō)通史》(1898年)，考察了催化作用的來(lái)龍去脈，并在1901年講演《論催化作用》時(shí)對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了更為清楚的表達(dá)。

奧斯特瓦爾德及其合作者關(guān)于催化課題的實(shí)驗(yàn)貢獻(xiàn)是:處理了過(guò)飽和溶液的結(jié)晶過(guò)程(單相反應(yīng)和多相反應(yīng))和酶的影響;通過(guò)催化的活性測(cè)量了酸的強(qiáng)度，提出了照相接觸過(guò)程;把催化知識(shí)用于兩個(gè)大規(guī)模的工業(yè)化學(xué)項(xiàng)目:①以加熱的電絲束作催化劑，使氮?dú)夂蜌錃庠诟邷叵潞铣砂?1900年);②通過(guò)催化使氨氧化為硝酸，這個(gè)流程于1906年開(kāi)始在工業(yè)中使用。正是由于“在催化作用與化學(xué)平衡和反應(yīng)方面的工作，以及由氨制硝酸的方法”，奧斯特瓦爾德獲得了1909年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)［3］。

1.3.4 能量學(xué)的研究

1887年，在奧斯特瓦爾德初任萊比錫大學(xué)教授時(shí)，就發(fā)表了《能量與其轉(zhuǎn)變》的演講。當(dāng)時(shí)他得出的結(jié)論是物理化學(xué)對(duì)能量的研究可以補(bǔ)充其他化學(xué)學(xué)科對(duì)物質(zhì)的研究，能量和物質(zhì)都是實(shí)體。直至1891年左右，他開(kāi)始形成了他的“能量學(xué)”(energetics)概念，認(rèn)為能量是唯一的真實(shí)存在，物質(zhì)并不是能量的負(fù)載者，而只是能量的表現(xiàn)形式。奧斯特瓦爾德隨即將這一理論推廣到了化學(xué)領(lǐng)域，主張物質(zhì)和原子、分子的概念都是多余的，各種現(xiàn)象能夠用能量及其轉(zhuǎn)化來(lái)滿(mǎn)意地加以解釋?zhuān)@引起了其他科學(xué)家的強(qiáng)烈反對(duì)。直到1909年，他在《普通化學(xué)概論》第4版的序言中公開(kāi)承認(rèn)了自己反對(duì)原子論的錯(cuò)誤。然而，反對(duì)原子假設(shè)的奧斯特瓦爾德卻是較早以摩爾為單位來(lái)衡量物質(zhì)的量的科學(xué)家，他在1900年左右定義當(dāng)物質(zhì)的質(zhì)量等于其相對(duì)分子質(zhì)量時(shí)該物質(zhì)為1摩爾;而后又定義當(dāng)某氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為22.4L時(shí)，該氣體的量為1摩爾［1］。

2 對(duì)科學(xué)研究的啟示

(1)大膽設(shè)疑，樂(lè)于創(chuàng)新。

設(shè)疑是科學(xué)研究的始端。奧斯特瓦爾德認(rèn)為，要在科學(xué)研究中有所發(fā)現(xiàn)，必須積極主動(dòng)地提出疑問(wèn)。強(qiáng)烈的好奇心是他在科研中產(chǎn)生疑問(wèn)的源泉。在幼年時(shí)，奧斯特瓦爾德就對(duì)制作焰火很感興趣，但到底怎么制作?能不能用身邊的物質(zhì)取代實(shí)驗(yàn)室的儀器制作焰火?這些疑問(wèn)強(qiáng)烈地吸引著他，小奧斯特瓦爾德就在無(wú)人指導(dǎo)的情況下自己摸索，大膽創(chuàng)造。他的父母也很支持他，母親把廚房的研缽、篩子、器皿等借給他用，父親則在地下室專(zhuān)門(mén)為他騰出一間小屋用作實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)他點(diǎn)燃五彩繽紛的焰火時(shí)，也點(diǎn)燃了他內(nèi)心對(duì)化學(xué)的熱愛(ài)，探尋科學(xué)道路之門(mén)也由此打開(kāi)。在他之后的實(shí)驗(yàn)工作和理論分析中，奧斯特瓦爾德不斷地產(chǎn)生疑問(wèn)，這些疑問(wèn)就像強(qiáng)大的磁場(chǎng)吸引著他，使他深陷其中?！翱茖W(xué)始于問(wèn)題”，縱觀科學(xué)界的偉大發(fā)明創(chuàng)造，都來(lái)自于科學(xué)家的大膽設(shè)疑和鉆研創(chuàng)造?？茖W(xué)需要提出疑問(wèn)，需要大膽探索，更需要有樂(lè)于創(chuàng)新的精神。

(2)廣泛涉獵，深入鉆研。

奧斯特瓦爾德從小就有著廣泛的興趣愛(ài)好，強(qiáng)烈的好奇心以及對(duì)自然和生活的熱情使其成為一名純粹的化學(xué)家，在探尋物理化學(xué)的道路上一步步前進(jìn)。他先從熱化學(xué)入手，又先后用體積度、光學(xué)和電學(xué)手段研究了體積化學(xué)、光化學(xué)和電化學(xué)，在化學(xué)親和力這一課題上做出了舉世公認(rèn)的貢獻(xiàn)。在萊比錫，他又轉(zhuǎn)向催化問(wèn)題的研究，這是他獲得諾貝爾獎(jiǎng)的重要成就之一。除了熱愛(ài)化學(xué)，他對(duì)哲學(xué)和顏色學(xué)也有濃厚的興趣并取得了顯著的成就。他一生編輯出版了許多雜志和著作。他既是教師、編輯和作家，又是科學(xué)家(物理化學(xué)、心理學(xué)、顏色學(xué)等)、哲學(xué)家、科學(xué)史家、語(yǔ)言學(xué)家。科學(xué)是沒(méi)有界限的，旺盛的精力以及對(duì)自然科學(xué)的濃厚興趣使其不斷勇攀科學(xué)的高峰。廣泛涉獵不同領(lǐng)域給予他新觀念、新思想和足夠的知識(shí)儲(chǔ)備，成為創(chuàng)造新理論的基礎(chǔ)［4］。正是由于對(duì)科學(xué)的濃厚興趣加上鍥而不舍的潛心鉆研，使奧斯特瓦爾德能不斷攻破科學(xué)的重重難關(guān)?？茖W(xué)的道路沒(méi)有捷徑，有的只是辛勤勞動(dòng)和汗水。

(3)虛心為人，誠(chéng)實(shí)科研。

作為里加工學(xué)院的化學(xué)教授，在遇上當(dāng)時(shí)還名不見(jiàn)經(jīng)傳的阿倫尼烏斯的時(shí)候，奧斯特瓦爾德沒(méi)有歧視和偏見(jiàn)，他專(zhuān)心地閱讀了阿倫尼烏斯的博士論文。雖然像許多化學(xué)家一樣，奧斯特瓦爾德的第一個(gè)印象是:阿倫尼烏斯關(guān)于電解質(zhì)導(dǎo)電的概念純粹是胡說(shuō)八道。但進(jìn)一步的研究使他相信，阿倫尼烏斯創(chuàng)造出了一種簡(jiǎn)單的測(cè)量酸堿中和力的方法。于是他發(fā)揮了自己的實(shí)驗(yàn)天賦，對(duì)早先作為樣品的33種有機(jī)酸進(jìn)行了測(cè)量。他發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的電導(dǎo)率的確很近似地與原先確定的親和力系數(shù)成正比，用阿倫尼烏斯的方法所確定的電離度是同一酸的親和力性質(zhì)的量度。他專(zhuān)門(mén)去拜訪了比自己小6歲的阿倫尼烏斯，并與阿倫尼烏斯保持了終生的友誼與合作。奧斯特瓦爾德對(duì)科學(xué)的愛(ài)是寬博的、包容的，他關(guān)注那些對(duì)科學(xué)前進(jìn)起助動(dòng)作用的人和事，并能虛心請(qǐng)教和交流，然后再誠(chéng)實(shí)踐行，大膽而小心地論證。因?yàn)樗麍?jiān)信，只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)論才是科學(xué)的。

奧斯特瓦爾德既是科學(xué)的偉人，又是平凡的化學(xué)家，他的一生是豐富的、充實(shí)的、成功的，在為物理化學(xué)發(fā)展做出貢獻(xiàn)的同時(shí)也激勵(lì)著后來(lái)者如他一般在科學(xué)的道路上奮進(jìn)。

［1］李醒民.自然辯證法通訊，1988，10(3):57

［2］山崗?fù)?化學(xué)史傳——化學(xué)史與化學(xué)家傳.廖正衡，陳耀亭，趙世良譯.北京:商務(wù)印書(shū)館，1995

［3］盛根玉.化學(xué)教學(xué)，2011(8):73

［4］李醒民.科學(xué)導(dǎo)報(bào)，1994(1):17