閆蒙鋼 慈潔琳

(安徽師范大學化學與材料科學學院 安徽蕪湖241000)

弗里德里?！ねW斯特瓦爾德(Friedrich Wilhelm Ostwald，1853—1932)是19世紀和20世紀之交偉大的科學家，是物理化學的奠基者，也是1909年諾貝爾化學獎的獲得者(圖1)。他除了在物理化學、催化、氨制硝酸、能量學、顏色學等科學領域作出開創(chuàng)性的貢獻以外，還是一位名副其實的哲學家、科學史家、心理學家、藝術家、語言學家、作家，曾就科學哲學、科學方法論、文化、能源、公共教育、人道主義、戰(zhàn)爭與和平、國際主義等問題提出過一系列獨到的見解和行動方案。他還是一位享有盛名的教師和勤于筆耕的編輯，一生撰寫了45本著作、500篇科學論文和5000篇評論文章，并編輯了6種雜志。同文藝復興時期多才多藝的達·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好繪畫的天性以及制作器物的手藝，喜歡閱讀書籍，對自然科學也很感興趣。11歲的他雖然沒有上過化學課，卻能自制焰火和沖洗印照相底片。此時的奧斯特瓦爾德就像海綿一樣在知識的海洋里自由地汲取著，并渴望著做一個純粹的化學家［2］。

1.1 多帕特時期(1872—1881)

1872年1 月，18歲的奧斯特瓦爾德進入多帕特(Dorpat)大學學習，這里有他夢寐以求的化學實驗室和浩如煙海的化學文獻。奧斯特瓦爾德憑借著極強的記憶力和自學能力，在施密特(Karl Schmidt)教授的指導下學習化學，在厄廷根(A.von Oettingen)教授的指導下攻讀物理，進步很快。1875年1月，奧斯特瓦爾德獲準大學畢業(yè)。在大學期間，奧斯特瓦爾德發(fā)表了論文《論水在化學上的質(zhì)量作用》，這是奧斯特瓦爾德眾多論著中的第一篇。

大學畢業(yè)以后，作為物理學教授厄廷根的助手，奧斯特瓦爾德開始在化學親和力的研究上取得成就。所謂“化學親和力”(chemical affinity)曾經(jīng)是化學中的一個基本概念，是指元素彼此相結合的特性或發(fā)生在原子之間而引起化學變化的一種作用?；瘜W親和力概念后來演變?yōu)樵觾r和化學鍵。奧斯特瓦爾德對親和力的研究表明，物理性質(zhì)的定量值如體積、折射率等，可能與伴隨化學變化的量的改變有關，從而提供了關于化學反應組分的相對親和力的信息。奧斯特瓦爾德通過實驗發(fā)現(xiàn)物理學方法在解決化學問題時具有獨特的優(yōu)點。

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《關于親和力的體積化學研究》和博士論文《體積化學和光化學研究》擴大了化學親和力的研究范圍，確定了大量的酸堿反應和其他復分解反應的折射率。他由此得到并證實了化學反應速率的值，使作為溫度函數(shù)的均相反應與多相反應的分析得以實現(xiàn)，并把對化學親和力的研究開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院院長寫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，正式成為里加工學院的化學教授［3］。

1.2 里加時期(1882—1887)

1882年，奧斯特瓦爾德赴里加就任，開始了緊張的研究階段，著手進行題為“化學動力學研究”的系列工作。他拋開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速度的測量上。這組論文的第一篇針對乙酰胺的酸催化的皂化作用和酯的水解作用研究了反應速度。在這一研究中，他用很簡單的方法設計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驗室普遍采用。接著，他進行了蔗糖在各種酸存在時的轉化率的實驗，并估計出酸的親和力的數(shù)據(jù)。

1886年6 月，奧斯特瓦爾德看到了當時還名不見經(jīng)傳的瑞典年輕人阿倫尼烏斯(Svante Arrhenius，1859—1927)的博士論文《關于電解的伽伐尼電導率的研究》，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。這次訪問是他們畢生友誼和合作的開端，他們規(guī)劃了一系列重大研究項目。

在里加工學院，奧斯特瓦爾德被證明是一位卓越的教師和出色的研究者。他在這里開創(chuàng)了兩項使他聞名于世的事業(yè):其一是出版《普通化學教程》，其二是籌辦《物理化學雜志》?！镀胀ɑ瘜W教程》凝結了他多年的勞動和心血，可以毫不夸張地說，它創(chuàng)立了普通化學和物理化學，起到了知識源泉的作用，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識到，一種專門雜志對于新學科的進一步發(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手為該雜志寫了大量書評和科學論文的摘要。這一雜志成為萊比錫物理化學學派的喉舌，成為聯(lián)系各國物理化學家的紐帶［3］。

1.3 萊比錫時期(1887—1905)

1887年，奧斯特瓦爾德離開里加，到萊比錫大學任物理化學教授，開始了他學術生涯的黃金時代，并日漸顯示了他強有力的組織才能，充分發(fā)揮了他的研究才智。他組建了先進的物理化學實驗室，吸引了歐洲各地乃至美國的年輕研究者來工作。在他的領導下，萊比錫大學成為當時歐洲物理化學研究的一個中心。

1.3.1 化學熱力學及動力學的研究

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對溶液和化學平衡的應用為基礎，在萊比錫迅速建立起著名的萊比錫物理化學學派。1888年，奧斯特瓦爾德又以他發(fā)現(xiàn)的稀釋律對物理化學的進展作出了直接貢獻。他針對250種酸證實了稀釋律，得出了描述電導、電離度和離子濃度的關系式:

KP:在溶液極稀時近似為常數(shù);α:電離度;c(A-):陰離子濃度;c(K+):陽離子濃度;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教科書采用。之后他在《分析化學的科學基礎》(1894)中，詳細論述了以電離為基礎的化學反應理論，這是一部使分析化學教學發(fā)生革命的著作。

1.3.2 溶液的依數(shù)性與結晶學的研究

在對溶液的物理化學研究方面，奧斯特瓦爾德遇到了難以控制穩(wěn)定溫度的問題，于是他邀請貝克曼(Beckmann)作為助手設計了精確的溫度測量設備(即后來所稱的貝克曼溫度計)和恒溫槽，以便精確地研究稀溶液的依數(shù)性，并驗證了拉烏爾定律;同時他還對范托夫當時提出的滲透壓等概念進行了測量。他還使用精確的溫度測量設備進行了大量的結晶學研究，將物理化學中的自由能概念引入對結晶過程的分析，提出了兩個沿用至今的概念，一是奧斯特瓦爾德規(guī)則，即液體在結晶過程中，并不會直接生成最穩(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)降低或時間的推移，逐步向更穩(wěn)定的晶相轉變，所以在晶體中會存在多種晶相共存的情況。另一個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，所以會逐漸溶解到周圍的介質(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一步增大。這一過程近年來被廣泛應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世紀最后10年所作出的創(chuàng)造性科學貢獻是對催化作用進行了系統(tǒng)、定量的研究。早在1883年，他就研究過蔗糖和甲基乙酸鹽被酸水解的速率。1890年，他報道了自催化現(xiàn)象，并將其定義為這樣一個過程:“通過某些物質(zhì)的存在，激發(fā)或加速這個過程，而這些物質(zhì)卻沒有顯示出進入化合物中?！彼?894年的報告中，對催化概念作了新的表述:“催化是通過外部物質(zhì)的存在加速緩慢進行的化學過程?！彼汛呋饔帽戎疄闈櫥蛯C器的作用和鞭子對懶馬的作用。他總結了許多實驗結果，并根據(jù)熱力學定律，提出了催化劑的另一個特點:在可逆反應中，催化劑僅能加速反應平衡的到達，而不能改變平衡常數(shù)。在這一時期，奧斯特瓦爾德還出版了《接觸作用學說通史》(1898年)，考察了催化作用的來龍去脈，并在1901年講演《論催化作用》時對這個問題進行了更為清楚的表達。

奧斯特瓦爾德及其合作者關于催化課題的實驗貢獻是:處理了過飽和溶液的結晶過程(單相反應和多相反應)和酶的影響;通過催化的活性測量了酸的強度，提出了照相接觸過程;把催化知識用于兩個大規(guī)模的工業(yè)化學項目:①以加熱的電絲束作催化劑，使氮氣和氫氣在高溫下合成氨(1900年);②通過催化使氨氧化為硝酸，這個流程于1906年開始在工業(yè)中使用。正是由于“在催化作用與化學平衡和反應方面的工作，以及由氨制硝酸的方法”，奧斯特瓦爾德獲得了1909年的諾貝爾化學獎［3］。

1.3.4 能量學的研究

1887年，在奧斯特瓦爾德初任萊比錫大學教授時，就發(fā)表了《能量與其轉變》的演講。當時他得出的結論是物理化學對能量的研究可以補充其他化學學科對物質(zhì)的研究，能量和物質(zhì)都是實體。直至1891年左右，他開始形成了他的“能量學”(energetics)概念，認為能量是唯一的真實存在，物質(zhì)并不是能量的負載者，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領域，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化來滿意地加以解釋，這引起了其他科學家的強烈反對。直到1909年，他在《普通化學概論》第4版的序言中公開承認了自己反對原子論的錯誤。然而，反對原子假設的奧斯特瓦爾德卻是較早以摩爾為單位來衡量物質(zhì)的量的科學家，他在1900年左右定義當物質(zhì)的質(zhì)量等于其相對分子質(zhì)量時該物質(zhì)為1摩爾;而后又定義當某氣體在標準狀況下的體積為22.4L時，該氣體的量為1摩爾［1］。

2 對科學研究的啟示

(1)大膽設疑，樂于創(chuàng)新。

設疑是科學研究的始端。奧斯特瓦爾德認為，要在科學研究中有所發(fā)現(xiàn)，必須積極主動地提出疑問。強烈的好奇心是他在科研中產(chǎn)生疑問的源泉。在幼年時，奧斯特瓦爾德就對制作焰火很感興趣，但到底怎么制作?能不能用身邊的物質(zhì)取代實驗室的儀器制作焰火?這些疑問強烈地吸引著他，小奧斯特瓦爾德就在無人指導的情況下自己摸索，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，父親則在地下室專門為他騰出一間小屋用作實驗室。當他點燃五彩繽紛的焰火時，也點燃了他內(nèi)心對化學的熱愛，探尋科學道路之門也由此打開。在他之后的實驗工作和理論分析中，奧斯特瓦爾德不斷地產(chǎn)生疑問，這些疑問就像強大的磁場吸引著他，使他深陷其中?！翱茖W始于問題”，縱觀科學界的偉大發(fā)明創(chuàng)造，都來自于科學家的大膽設疑和鉆研創(chuàng)造?？茖W需要提出疑問，需要大膽探索，更需要有樂于創(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好，強烈的好奇心以及對自然和生活的熱情使其成為一名純粹的化學家，在探尋物理化學的道路上一步步前進。他先從熱化學入手，又先后用體積度、光學和電學手段研究了體積化學、光化學和電化學，在化學親和力這一課題上做出了舉世公認的貢獻。在萊比錫，他又轉向催化問題的研究，這是他獲得諾貝爾獎的重要成就之一。除了熱愛化學，他對哲學和顏色學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，又是科學家(物理化學、心理學、顏色學等)、哲學家、科學史家、語言學家?？茖W是沒有界限的，旺盛的精力以及對自然科學的濃厚興趣使其不斷勇攀科學的高峰。廣泛涉獵不同領域給予他新觀念、新思想和足夠的知識儲備，成為創(chuàng)造新理論的基礎［4］。正是由于對科學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的重重難關?？茖W的道路沒有捷徑，有的只是辛勤勞動和汗水。

(3)虛心為人，誠實科研。

作為里加工學院的化學教授，在遇上當時還名不見經(jīng)傳的阿倫尼烏斯的時候，奧斯特瓦爾德沒有歧視和偏見，他專心地閱讀了阿倫尼烏斯的博士論文。雖然像許多化學家一樣，奧斯特瓦爾德的第一個印象是:阿倫尼烏斯關于電解質(zhì)導電的概念純粹是胡說八道。但進一步的研究使他相信，阿倫尼烏斯創(chuàng)造出了一種簡單的測量酸堿中和力的方法。于是他發(fā)揮了自己的實驗天賦，對早先作為樣品的33種有機酸進行了測量。他發(fā)現(xiàn)相應的電導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。他專門去拜訪了比自己小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。奧斯特瓦爾德對科學的愛是寬博的、包容的，他關注那些對科學前進起助動作用的人和事，并能虛心請教和交流，然后再誠實踐行，大膽而小心地論證。因為他堅信，只有通過實驗驗證的結論才是科學的。

奧斯特瓦爾德既是科學的偉人，又是平凡的化學家，他的一生是豐富的、充實的、成功的，在為物理化學發(fā)展做出貢獻的同時也激勵著后來者如他一般在科學的道路上奮進。

［1］李醒民.自然辯證法通訊，1988，10(3):57

［2］山崗望.化學史傳——化學史與化學家傳.廖正衡，陳耀亭，趙世良譯.北京:商務印書館，1995

［3］盛根玉.化學教學，2011(8):73

［4］李醒民.科學導報，1994(1):17