Chemienobelpreis 1909: Wilhelm Ostwald
Der Deutsche erhielt den Nobelpreis für seine Arbeiten über die Katalyse sowie für Untersuchungen von chemischen Gleichgewichtsverhältnissen und Reaktionsgeschwindigkeiten.
Biografie
Wilhelm Ostwald, * Riga 2. 9. 1853, ✝ Großbothen (bei Leipzig) 4. 4. 1932; ab 1877 Dozent an der Universität Dorpat, ab 1881 0rdentlicher Professor am Polytechnikum in Riga, ab 1887 Professor der Physikochemie an der Universität in Leipzig, 1887 Schaffung der Zeitschrift »Physikalische Chemie«, 1894 Gründung der »Deutschen Elektrochemischen Gesellschaft«, 1911-1915 Vorsitzender des deutschen Monistenbundes.
Würdigung der preisgekrönten Leistung
Der schwedische Chemiker Jöns Jacob Berzelius hatte den Begriff »Katalyse« geprägt, um den Verlauf einiger auch von anderen Forschern beschriebenen Reaktionen zu erklären, darunter die Aufspaltung von Stärke in Anwesenheit von Säuren, den Zerfall von Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff in Anwesenheit von Platin oder Braunstein und die Umwandlung von Alkohol zu Äther in Anwesenheit von Schwefelsäure.Auch die Entzündung brennbarer Gasgemische in Anwesenheit von fein verteiltem Platin gehörte zu diesen Reaktionen. Gemeinsames Kennzeichen war, dass sie nicht von sich aus, sondern nur »in Anwesenheit« der genannten Substanzen verliefen, die ihrerseits dabei keiner Umwandlung unterlagen. Berzelius sah sich nicht in der Lage, die Wirkungsweise der als »Katalysator« bezeichneten Substanzen anzugeben, da zu dieser Zeit chemische Reaktionen noch nicht unter dem Gesichtspunkt ihres zeitlichen Verlaufs betrachtet wurden.
Mit dem von Ludwig Ferdinand Wilhelmy definierten Begriff der chemischen Geschwindigkeit, die pro Zeiteinheit umgesetzte Stoffmenge im Verhältnis zum nicht umgesetzten Ausgangsprodukt, war ein Bezugsrahmen geschaffen, auf den Wilhelm Ostwald seine Überlegungen hinsichtlich der Katalyse stützen konnte. Ausgangspunkt der Überlegungen war die auch von Jean-Baptiste Biot, dem Erfinder des Polarimeters, beobachtete Erscheinung der so genannten Rohrzuckerinversion. Rohrzucker dreht die Polarisationsebene des Lichts nach rechts, nach dem Zusatz verdünnter Säuren, die seine Aufspaltung bewirken, nach links. Diese Umwandlung geschieht nicht augenblicklich, sondern ihr Endpunkt ist abhängig von der Konzentration und der Art der zugesetzten Säure und der Temperatur der Lösung.
Ostwalds Definition der Katalyse
Ostwald veränderte die bestehenden Denkmodelle der Katalyse, zu denen sich im 19. Jahrhundert neben Justus von Liebig noch weitere Wissenschaftler geäußert hatten. Er bezeichnete einen Stoff als Katalysator, wenn er den Verlauf chemischer Reaktionen zeitlich beeinflusst. Entscheidende Merkmale sind dabei, dass die als Katalysator verwendete Substanz selbst nicht im Endprodukt der Reaktion enthalten ist und nach Ende der Reaktion unverändert vorliegt. Dabei kann der Katalysator Zwischenprodukte bilden, aber in der Summe aller Teilreaktionen muss er sich am Ende herauskürzen. Wesentlich ist, dass er bereits ablaufende chemische Reaktionen gegenüber Konkurrenzreaktionen beschleunigt.
Ostwalds Definition wurde seither vielfach abgewandelt. Nach einer maßgeblichen Empfehlung der IUPAC (International Union for Pure and Applied Chemistry) erhöht ein Katalysator die Reaktionsgeschwindigkeit und ist ohne Einwirkung auf die freie Reaktionsenthalpie. Diese bezeichnet die Wärmemenge, die bei einer chemischen Reaktion bei konstanter Temperatur (isotherm) und konstantem Druck (isobar) oder konstantem Volumen (isochor) mit der Umgebung ausgetauscht wird. Die freie Reaktionsenthalpie ist die umkehrbare Arbeit ohne die Volumenarbeit, die an einem System geleistet wird, wenn der entsprechende Prozess isotherm und isobar verläuft. Zugleich ist die »freie Enthalpie« ein maßgebliches Kriterium, um über den Verlauf einer chemischen Reaktion eine Prognose abzugeben: Sie ändert sich nicht im Gleichgewichtszustand und wird kleiner bei einem spontan verlaufenden Prozess. Aus der Sicht der Thermodynamik unmöglich ist ein Prozess, bei dem die »freie Enthalpie« zunimmt.
In der Definition eines Katalysator ist es ebenfalls entscheidend, dass er nicht »unmögliche« Reaktionen möglich macht, sondern auf den zeitlichen Verlauf der Reaktion einwirkt, gegebenenfalls eine unterdrückte Konkurrenzreaktion beschleunigt und dadurch hervorhebt. Ziel ist es bei der Anwendung im großtechnischen Maßstab, die Ausbeute an einer gewünschten Substanz bis auf jenes Maß zu steigern, das für die gewählte verfahrenstechnische, industrielle Umsetzung einer chemischen Synthese einen Gewinn erwarten lässt. Dies gelingt, indem der gewählte Katalysator den Einsatz an Energie und Rohstoffen in der Produktion einer bestimmten Chemikalie verringert. Durch die möglichen höheren Ausbeuten entlastet ein Katalysator die Umwelt, weil weniger Abfall entsteht. Dies bedeutet jedoch nicht, dass katalytische Reaktionen stets ohne das Entstehen von Nebenprodukten verlaufen. Für Verfahren der chemischen Massenproduktion finden in der Regel billige Katalysatoren Verwendung.
Derzeit kommt in etwa 90 Prozent aller chemischen Produktionsprozesse ein Katalysator zum Einsatz. Spektakuläre Synthesen im industriellen Maßstab, die sich zu Ostwalds Lebzeiten seiner Konzeption der Katalyse bedienten, waren etwa das Schwefelsäurekontaktverfahren, die Produktion des Farbstoffs Indigo sowie das Haber-Bosch-Verfahren zur Ammoniakproduktion.
Vergiftung des Katalysators
Durch unerwünschte Stoffe kann es zu einer Vergiftung des Katalysators kommen, wodurch dessen Wirksamkeit merklich sinkt oder gänzlich zum Erliegen kommt. Diese Gifte reagieren chemisch mit dem Katalysator, und die in dieser Reaktion entstandene Verbindung kann nicht die Wirkung der Katalysatorsubstanz übernehmen. Die Gifte sind meist bei den eingesetzten Rohstoffen zu finden, wie beispielsweise Arsen in den schwefeldioxidhaltigen Röstgasen der Erzverhüttung, die im Schwefelsäurekontaktverfahren zu Schwefelsäure aufgearbeitet werden. Die Verfahren zur Produktion von Schwefelsäure, dem Grundstoff der anorganischen großindustriellen Chemie, sind Musterbeispiele für Ostwalds Aussage in seinem Vortrag anlässlich der Verleihung des Nobelpreises, dass »ganz allgemein die Technik keineswegs zu warten pflegt, bis die Wissenschaft eine Sache theoretisch in Ordnung gebracht hat, um sie zu benutzen. Vielmehr genügt es zunächst, wenn der Vorgang selbst in seiner Gesetzmäßigkeit individuell bekannt ist, dass man ihn beliebig hervorbringen und quantitativ regeln kann.«
Wilhelm Ostwald hat mit seinen Arbeiten auf dem Gebiet der chemischen Kinetik maßgeblich dazu beigetragen, dass chemische Reaktionen besser zu steuern und zu beherrschen sind. Zu erwähnen sind ferner seine Arbeiten zur Theorie der Farben und Farbwirkungen, die Postulierung des »energetischen Prinzips«, die Herausgabe mehrerer Zeitschriften und seine Tätigkeit im Monistenbund. Ostwald erhielt den Nobelpreis zu einem Zeitpunkt, zu dem er sich aus dem aktiven Forscherleben aufgrund der, wie er sagte, »Erschöpfung durch leidenschaftlich gern betriebene Arbeit« bereits zurückgezogen hatte.
N. Fuchsloch