Das naturwissenschaftliche Weltbild zu Zeiten Wilhelm Ostwalds

In den letzten zwei bis drei Jahrzehnten des 19. Jahrhunderts und bis in die 30er Jahre des 20. gab es unterschiedliche Vorstellungen über die Theorie der chemischen Stoffumwandlungen. Die "Affinität" ist definiert als die Triebkraft für chemische Stoffumwandlungen. Es gibt prinzipiell zwei Möglichkeiten der Betrachtung: eine atomistische und eine energetische. Heute wissen wir, die beiden sind gleichwertig. Die Vereinigung der beiden Wurzeln sind die Einsteinsche Äquivalenzprinzip E = m · c² (Spezielle Relativitätstheorie 1905) und die statistische Mechanik (Boltzmann, Gibbs, Bose und Einstein).

Um heute zu verstehen, welche bahnbrechenden Untersuchungen und Gesetze Wilhelm Ostwald erforscht hat, muss man ein wenig in die Geisteswelt seiner Zeit einsteigen — das Ende des 19. Jahrhunderts. Ostwald forschte etwa von 1880 (Privatdozent in Dorpat) bis 1906 (Abschied vom Lehrstuhl für physikalische Chemie in Leipzig). Nach seinem Abschied von der Universität widmete er sich auf seinem Landgut "Energie" (bei Grimma, ca. 30 km östlich Leipzigs) als Privatgelehrter seiner Energetik.

Beginnen wir am Anfang der Theorien über den Aufbau der Materie. Bis zu Einsteins Interprätation der Brownschen Bewegung im Jahr 1906 gab es zwei widerstreitende Ansichten: die Materie ist aus Atomen (und Molekülen) aufgebaut, bzw. die Materie ist "homogen". Trotz des späten Beweises für eine atomistische Struktur, konnten viele beobachtbare, heute noch gültige, Gesetzmäßigkeiten erkannt werden.

Eine detailierte, wenn auch etwas schwierig zu lesende (und nicht nur wegen der Rechtschreibung!), Darstellung habe ich in Ludwig Gmelin's "Lehrbuch der theoretischen Chemie" von 1817 gefunden. Das erste Kapitel über Affinität habe ich gescannt.

Atomisten

Die Atomtheorien der alten Griechen sind die ältere Wurzel der modernen Chemie. Leukippos (ca. 430 v.Chr.) und sein Schüler Democrit postulierten den Aufbau der Materie aus unsichtbar kleinen, un­ver­än­der­lichen, ewigen, undurchdringlich harten und einheitlichen Teilchen, genannt "Atome", die sich in ihren geometrischen und mechanischen Eigenschaften unterschieden, und die sich im leeren Raum ohne Trägheit bewegten. Die sichtbare Welt entstand duch Zusammenstöße und Zusammenballungen dieser Atome. Diese Vorstellung wurde auch von Epikur und seinen Schülern vertreten. Aber der große Plato und Aristoteles verwarfen die Idee von antriebslosen Körpern, die sich im Nichts bewegten. Ihre Materie bestand aus nicht weiter teilbaren Teichen (minima naturalis analog zu den "Molekülen" des 19. Jahrhunderts). Der arabische Forscher Averroës vermutete in diesen Teilchen die Ursache chemischer Reaktionen.

Unangenehmerweise adaptierte die Kirche die Aristotelessche Lehre und bekämpfte jede andere Ansicht während des gesamten Mittelalters. Als erstes kamen modernere Weltbilder unter Kritik (Nikolaus Kopernicus, Galileo Galilei); das geozentrische Weltbild wurde erst mit Keplers Planetengesetzen (1619 in Harmonice mundi veröffentlicht) aufgegeben. Die Atomtheorie lebte deutlich länger...

Im Jahre 1417 wurde die Democritschen Atome wiederentdeckt. Da sie als unchristlich galten, wurden sie nur von wenigen Philosophen in der Argumentation verwendet. Erst Robert Boyle versuchte, chemische Umwandlungen mit Atomen zu erklären. Er führte dazu Anziehungs- und Abstoßungskräfte ein. Isaac Newton verstärkte die atomistische Argumentation (er versuchte Gravitationskräfte als Triebkraft für chemische Reaktionen, was aber mislang). John Dalton verschmolz den antiken Begriff minima mit Lavoisiers Elementbegriff und dem Konzept von "Verbindungen", den Proust geprägt hatte.

Dalton veröffentlichte im Jahr 1803 als erster eine Tabelle relativer Atomgewichte. Seine Vorstellungen wurden von T. Thomson und Berzelius aufgegriffen und erweitert. Allerdings gab es unterschiedliche Bezugsgröß für die Atomgewichte. Auf dem Ersten Internationalen Weltkongress der Chemiker im Jahr 1860 in Karlsruhe definierte man dann eine einheitliche Bezugsbasis und standardisierte Bestimmungsmethoden.

Energetiker

Der Begriff "Energie" wurde wohl schon im Mittelalter eingeführt. Aber erst G. W. Leibniz entwickelte das Konzept "kinetische" und "potentielle" Energie in der "Monadentheorie". Er erkannte auch die "Wärme" als Energieform.

Im 18. Jahrhundert wurde der "Äther" als universelles Medium für Wärme, Licht, Elektizität und Magnetismus eingeführt. (Die Äthertheorie wurde erst durch die Messungen (ab 1877/78 bis ca. 1926) von Albert Abraham Michelson widerlegt, der die Richtungsunabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit nachwies.) Die Endeckung der Batterie durch Volta (elektrochemische Zelle) im Jahr 1800 demonstriert, dass (chemische) Affinität in elektrischen Strom umgewandelt wird, und der Strom konnte Wärme und Licht erzeugen. Im Jahr 1820 zeigte Ørsted, dass Strom auch Magnetismus induzieren konnte. Die enge Beziehung zwischen Wärme und Licht zeigten Herschel und Melloni, und Justus von Liebig bewies die gegenseitige Umwandlung von chemischer Affinität, Muskelkraft und Wärme. Bis 1840 hatten einige Wissenschaftler bereits die völlige Äquivalenz aller Formen von Energie postuliert.

Die Dampfmaschine des James Watt war im 18. Jh. ein allgegenwärtiges Beispiel für die Umwandlung von chemischer Affinität (Holz, Kohle) in Wärme und schließlich in mechanische Arbeit. Sadi Carnots Untersuchungen dieser Umwandlungen auf der Annahme eines Äthers von 1824 standen in Konflikt mit den Experimenten von James Joule zum Wirkungsgrad des Elektromotors. Dieser Widerspruch wurde durch zwei "Prinzipien" gelöst: die Erhaltung der Ernergie und ihre Verteilung. Im Jahr 1855 erklärten William Thomson und William Rankine das "Zeitalter der Thermodynamik". Diese beiden, Hermann von Helmhotz und James Clerk Maxwell schrieben die Hauptgebiete der Physik neu und sie definierten "Arbeit", "kinetische und potentielle Energie", "Kraft" und "Entropie". In dieser Zeit hat Wilhelm Ostwald studiert. Um 1890 trat er für den Ersatz von "Kinetik" und "Atomismus" durch "Energie" als Grundlage der gesamten Physik ein. Der Ärger, den er sich damit einhandelte wurde erst durch Einsteins Spezielle Realtivitätstheorie relativiert (sic!). Allerdings erkannte Ostwald die Existenz von Atomen erst an, als Einstein 1907 die spezifische Wärme von Feststoffen mit der Bewegung der Atome im Festkörper mit einiger Genauigkeit berechnete.

Die wissenschaftlichen Arbeiten Ostwalds

Ostwald studierte in Dorpat bei Arthur von Oettingen, einem Energetiker, der Messverfahren entwickelte, besonders thermische und elektrische. Ihn interessierte das Thema der Zeit: die Affinität. Seine Experimente bauten auf Julius Thomsens themochemischen Untersuchungen der Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen auf und untersuchte die Stärke von Säuren. Er veröffentlichte 1888 den nach ihm "Ostwaldsches Verdünnungsgesetz" genannten Zusammenhang.

Die Arbeiten hierzu begannen mit seiner Magister- und seiner Doktordissertation in Dorpat. Er verwendete zunächst Dichtemessungen (Pyknometer) statt der thermischen Messungen Thomsens. Außerdem entwickelte er optische Messmethoden (Lichtbrechung und -streuung), die er bei Arbeiten über Kolloide einsetzte und so die "Ostwaldsche Reifung" entdeckte (publiziert 1897).

Seine Arbeiten zur Katalyse, besonders zur katalytischen Verbrennung des Ammoniak zu Salpetersäure ("Ostwald-Verfahren"), brachten ihm 1909 den Nobelpreis für Chemie ein. Er formulierte die heute noch gültige Definition der "Katalyse" und des "Katalysators":

• "Katalyse ist die Beschleunigung eines langsam verlaufenden chemischen Vorgangs durch die Gegenwart eines fremden Stoffes."
• "Ein Katalysator ist jeder Stoff, der, ohne im Endprodukt einer chemischen Reaktion zu erscheinen, ihre Geschwindigkeit verändert."

Ab 1911 widmete sich Ostwald vorwiegend eher philosophischen und systematisierenden Fragestellungen.

Biografische Hinweise

Aristoteles

griech., Philosoph in Athen, * 384 in Stagira (Makedonien), † 322 v.Chr. in Chalkis (Euböa). Erzieher Alexander d. Großen, Schüler Plato, von dem er sich durch stärkere Hinwendung zum Erfahrungswissen zunehmend entfernte. Seine Logik, Metaphysik, Physik, Ethik, Politik und Poetik waren von tiefgreifender Wirkung auf das Abendland. [zurück]

Ibn Ruschd Averroës

arab. Philospoh, * 1126, † 1198; kommentierte Aristoteles in 11 Bänden. [zurück]

Jöns Jakob Freiherr von Berzelius

schwed. Chemiker, * 1779, † 1884; Atomgewichtsbestimmungen, begründete die Elementaranalyse, führte die chemische Zeichensprache ein und entdeckte Elemente. [zurück]

Ludwig Boltzmann

österr. Physiker, * 1844, † 1906; wendete die Gesetze der Statistik auf die Moleküle eines Gases an, entdeckte die Beziehung von Entropie und Wahrscheinlichkeit. [zurück]

Satyendra Nath Bose

ind. Physiker, *01.01.1894 in Kalkutta, † 04.02.1974 ebenda; bedeutende Arbeiten zur statistischen Thermodynamik, Superfluiditär und Supraleitung; 1924 stellte er für Lichtquanten die dann von A. Einstein auf materielle Teilchen (Bosonen) ausgedehnte Quantenstatistik auf (Bose-Einstein-Statistik).

Robert Boyle

brit. Physiker und Chemiker, * 1627, † 1691; förderte die Chemie durch Einführen analytischen Verfahrens. Das nach ihm und E. Mariotte benannte "Boyle-Mariottesche-Gesetz"las R. Townley aus Boyles Versuchen ab. [zurück]

Robert Brown

brit. Botaniker, * 21.12.1773 in Montrose, † 10.06.1858 in London; entdeckte 1827 die "brownsche (Molekular-) Bewegung", erkannte 1831 die Bedeutung des Zellkerns. [zurück]

Nicolas Léonard Sadi Carnot

franz. Ingenieur und Physiker, * 01.06.1796 in Paris, † 24.08.1832 ebenda; Seine Arbeiten über den Wirkungsgrad und die Theorie der Wärmekraftmaschine (1824) sind die Grundlage der Thermodynamik; vertrat später die Auffassung, Wärme resultiert aus der Bewegung kleinster Teilchen; berechnete vor J. R. Mayer das mechanische Wärmeäquivalent (diese Überlegungen wurden erst 1850 von R. Clausius in die mit dem Energieprinzip verträgliche Form gebracht). [zurück]

John Dalton

engl. Physiker und Chemiker; * 1766, † 1844; entdeckte das Gesetz der multiplen Proportionen und führte die Atomtheorie in die Chemie ein. [zurück]

Demokrit

griech. Philosoph, * um 460 v.Chr.; begründete die Lehre von den Atomen und gilt damit als Vorläufer des Materialismus. [zurück]

Albert Einstein

Physiker, * 1879 in Ulm, † 1955 in Princeton, NJ; Spezielle (1905) und Allgemeine Relativitätstheorie (1914/15); Hypothese der Lichtquanten (1905); Nobelpreis für Physik 1921. [zurück]

Epikur

griech. Philosoph, * 341 v. Chr. auf Samos, † 271 v. Chr. in Athen; seine Lehre ist bestimmt von dem Ziel des Glücks durch ein Leben der Freude und der Lust sowie der Freiheit von Schmerz und Unruhe; Anhänger des Atomismus. [zurück]

Galileo Galilei

ital. Mathematiker und Philosoph; * 1564. † 1642. begründete durch seine Untersuchung der fall- und Wurfbewegung die moderne Kinematik, betrieb mit einem selbstgebauten Fernrohr (galileische F.) astronomische Forschungen; Verteidigte das kopernikanische Weltbild gegenüber der Kirche ("Und sie bewegt sich doch!"). [zurück]

Josiah Willard Gibbs

amer. Mathematiker und Physikochemiker, * 1839, † 1903; begründete die chemische Gleichgewichtslehre und die statistische Mechanik; schuf den Begriff der "Phase" und stellte die Gibbssche Phasenregel auf. [zurück]

Hermann Ludwig Ferdinand Helmholtz (seit 1882 von)

dt. Naturforscher, * 31.08.1821 in Potsdam, † 08.09.1894 in Charlottenburg; seit 1871 Professor für Physik in Berlin, ab 1888 erster Präsident der physikalisch-technischen Reichsanstalt (heute: PTB); entdeckte die Nervenfasern und maß 1850 als erster die Reizfortpflanzungsgeschwindigkeit; Begründer der Theorie der musik-akustischen Forschung; formulierte (unabhängig von J. R. Mayer und J. P. Joule das Prinzip von der Erhaltung der Energie; behandelte die Wirbelbewegung der Hydrodynamik (1858), wurde mit Untersuchungen über Elektrodynamik 1870 zum Vorkämpfer der maxwellschen Theorie; Prinzip der kleinsten Wirkung; führte 1881 den Begriff der "freien Energie" ein und den Elementarquant der Elektrizität. [zurück]

Friedrich Wilhelm (William) Herschel

brit. Astronom, * 15.11.1738 in Hannover, † 25.08.1822 in Slough; entdeckte die Eigenbewegung des Sonnensystems (1805) und das Infrarotlicht (1801). [zurück]

James Prescott Joule

brit. Physiker, * 24.12.1818 in Salford, † 11.10.1889 in Sale; untersuchte die Wärmeentwicklung des elektrischen Stroms, stellte 1841 das joulesche Prinzip aus und 1843 das Energieprinzip (unabhängig von Robert Mayer); bestimmte 1850 der Wert des mechanischen Wärmeäquivalents; Versuche zur inneren Energie von Gasen, entdeckte mit William Thomson den Joule-Thomson-Effekt; einer der Begründer der Wärmelehre. [zurück]

Johannes Kepler

Astronom, * 1571, † 1630; kaiserlicher Hofastonom in Prag; erfand das astronomische Fernrohr und leitete die Keplerschen gesetze ab. [zurück] Zur den Gesetzen und deren Berechnungen Keplers siehe diese Website.

Nikolaus Kopernicus

Astronom, * 1473, † 1543; von 1516 bis 1521 Verwalter des Domstifts Allenstein, ab 1523Bistumsverweser von Ermland. Begründer der kopernikanischen Weltsystem (De revolutionibus orbium coelestium), in dem sich die Planeten um die Sonne bewegen (im Gegensatz zum Ptolemäischen, geozentrischen Weltbild). [zurück]

Antoine Laurent de Lavosier

frz. Chemiker, *1743, † 1794 (hingerichtet); begründete die neuzeitliche organische Chemie, führte die Waage in die analytische Chemie ein, deutete die Oxidation als Sauerstoffaufnahme. [zurück]

Gottfried Wilhelm Leibniz

dt. Mathematiker und Philosoph, * 01.07.1646 in Leipzig, † 14.11.1716 in Hannover; nach Jura-Studium in Leipzig (1661-1663) und Jena (1663-1667) Promotion in Altdorf (b. Nürnberg); wandte sich in Paris (1672-1676) der Mathematik und den Naturwissenschaften zu; ab 1676 technischer Berater in Hannover, ab 1691 Bibliothekar in Wolfenbüttel. Entwickelte die Infinitesimalrechnung (parallel zu I. Newton). [zurück]

Justus Liebig (Freiherr von seit 1845)

dt. Chemiker, * 12.05.1803 in Darmstadt, † 18.04.1873 in München; Arbeiten zur technischen, analytischen und organischen Chemie, Erfinder der Düngelehre und der Agrikulturchemie. [zurück]

Leukippos

griech. Philosoph, 5. Jh. v. Chr., wohl aus Milet; Lehrer Demokrits und Mitbegründer des Atomismus; ü,ber sein Leben ist wenig bekannt. Ihm wird die Annahme zugeschrieben, die Wirklichkeit bestehe aus Materie und dem Leeren, die Materie aus unendlich vielen, unteilbaren und unveränderlichen Teilchen von vielerlei Gestalt. [zurück]

James Clerk Maxwell

brit. Physiker, * 13.06.1831 in Edinburg, † 05.11.1879 in Cambridge; seit 1871 Professor in Cambridge, wo er das Cavendish Laboratory gründete; Beiträge zur Physik auf den Gebieten: Theorie des Elektromagnetismus, kinetische Gastheorie (Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung), physiologische Farbenlehre. Aus den 4 Maxwellsche Gleichungen (vier Grundgleichungen der Elektrodynamik) ergeben sich elektromagnetische Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten => Licht ist elektromagnetische Strahlung. [zurück]

M. Melloni

ital. Physiker, * 1798, † 1854 [zurück]

Albert Abraham Michelson

amerikan. Physiker, * 19.12.1852 in Strelno (Provinz Posen); † 09.05.1931 in Pasadena (Kalifornien); Nobelpreis für Physik 1907 (als erster Amerikaner). Entwickelte das Michelson Interferrometer und maß die Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Erdbewegung.  [zurück]

Isaac Newton (seit 1703 Sir)

engl. Physiker und Mathematiker; * 1643, † 1727; Professor in Cambridge, fand die drei Bewegungsgesetze der klassischen Mechanik (Newtonsche Axiome); erklärte die Planetenbewegung und die Gezeiten mit der Gravitation, begründete die Infinitesimalrechnung, wies die spektrale Zusammensetzung des weißen Lichtes nach. [zurück]

Hans Christian Ørsted

dän. Chemiker und Physiker, * 14.08.1777 in Rudkøbing, † 09.03.1851 in Kopenhagen; seit 1806 Professor in Kopenhagen, entdeckte das Piperidin im Pfeffer, beschäftigte sich mit der Kompressibilität von Gasen und Flüssigkeiten, konstruierte mit Fourier eine Thermosäule; entdeckte die Ablenkung der Kompassnadel durch elektrische Ströme (1820), was zur Entwicklung einer Theorie des Elektromagnetismus durch A. M. Ampère führte. [zurück]

Wilhelm Ostwald

dt. Physikochemiker und Philosoph, * 02.09.1853 in Riga, † 04.04.1932 in Großbothen (bei Leipzig). Professor für Chemie in Riga (1883 - 1887), Inhaber der ersten Lehrstuhls für physikalische Chemie in Leipzig (1887 – 1906); entdeckte 1888 das Ostwaldsche Verdünnungsgesetz für organische Säuren; Nobelpreis 1909 für Katalyseforschung (Ostwaldsches Verfahren zur Ammoniakverbrennung). [zurück]

Plato

griech. Philosoph, * 427 v. Chr., † 347 v. Chr.; gründete 387 in Athen die Akademie. Platos Gedanken finden sich bei Descartes und Leibniz, im 19. Jhrdt. im deutschen Idealismus. [zurück]

Joseph Louis Proust

franz. Chemiker, * 26.09.1754 in Angers, † 05.07.1826 ebenda; formulierte 1797 das Gesetz der konstanten Proportionen, entwickelte die chemische Analyse, entdeckte 1799 die Glukose. [zurück]

William John Macquorn Rankine

brit. Ingenieur und Physiker, * 05.07.1820 in Edinburgh, † 24.12.1872 in Glasgow; ab 1855 Professor in Glasgow; einer der Begründer der Thermodynamik und der Theorie der Wärme (1859), führte 1854 die als Entropie bekannte thermodynamische Funktion ein; begründete 1855 die "Energetik" als Lehre von den Gesetzmäßigkeiten der Energie und ihrer Umwandlungen. [zurück]

T. Thomson

schott. Philosoph, * 1773, † 1852 [zurück]

Hans Peter Jørgen Julius Thomsen

dän. Chemiker, * 16.02.1826 in Kopenhagen, † 13.02.1909 ?. Untersuchte die Reaktionswärmen und war Mitbegründer der Thermochemie; maß viele Reaktionsenthalpien; entwarf 1895 ein Periodensystem der Elemente in Langform. [zurück]

William Thomson, Lord Kelvin of Largs (Sir seit 1866)

brit. Physiker, *26.06.1824 in Belfast, † 17.12.1907 in Largs; ab 1846 Professor für theoretische Physik in Glasgow. Hauptforschungsgebiete: Elektrophysik und Thermodynamik, bedeutsame Beiträge zur Elastizitätslehre, Hydrodynamik, Geophysik, Elektrotechnik (Unterwassertelegrafie). 1848 gab Thomson ausgehend vom Carnot-Prozess eine von der thermometrischen Substanz (i.d.R. Quecksilber) unabhängige Temperaturdefinition; Joule-Thomson-Effekt. [zurück]

Alessandro Guiseppe Antonio Anastasio Volta (seit 1810 Graf des napoleonischen Königreiches Italien)

ital. Physiker, * 18.02.1745 in Como, † 05.03.1827 ebenda; leistete grundlegende Arbeiten zur Elektrophysik, untersuchte Zusammensetzung und Ausdehnung von Gasen, erfand den Elektrophor (1775) und entwickelte den Plattenkondensator, zeigte, dass die Kondensatorplattenladungszunahme proportional zur angelegten Spannung ist; erstellte eine kontaktelektrische Spannungreihe der Metalle, erfand um 1800 die Volta-Säule. [zurück]

James Watt

brit. Ingenieur und Erfinder, * 19.01.1736 in Greenock, † 19.08.1819 in Heathfield; entwickelte bis 1765 die atmosphärische Dampfmaschine von T. Newcomen die erste direkt wirkende Niederdruckdampfmaschine (Patent erteilt 1769); die von ihm entwickelte erste universell einsetzbare Maschine leitete die industrielle Revolution ein. Watt hatte Anteil an der Forschung über die Zusammensetzung des Wassers, führte die "Pferdestärke" als Maßeinheit der Arbeit pro Stunde (Leistung) ein. [zurück]

Quellen

1. Dictionary of the History of Science, W.F. Bynum, E.J. Browne, R. Porter (Eds.); Macmillan Press (1981).
2. Brockhaus Enzyklopädie, Millenium Ausgabe.