Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 30.03.16

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Wilhelm Ostwald
Biografie und Leistung

Vortrag von Barbara Urban im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", WS 2005/2006

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Gliederung:

1. Lebenslauf: Wilhelm Ostwald

2. Der Katalysator

    2.1 Definition nach Berzelius
    2.2 Definition nach Ostwald
    2.3 Wirkungsweise von Katalysatoren

3. Das Ostwaldverfahren 

    3.1 Reaktionsschritte
    3.2 Geschichtlicher Hintergrund

4. Weitere Leistungen W. Ostwalds

5. Literatur

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1.Lebenslauf: Wilhelm Ostwald

bullet02.09.1853 Wilhelm Ostwald wird in Riga (damals russisch!) als zweiter von drei Söhnen geboren. Seine Vorfahren stammen ursprünglich aus Hessen und Berlin die Eltern sind aber bereits in zweiter Generation in Russland ansässig.
bullet1864 Übertritt in das Realgymnasium Riga welches Ostwald 1871 mit dem Abitur abschließt.
bullet1872 Beginn des Chemiestudiums an der Uni Dorpat. Nach 3 Jahren Kandidatenarbeit welche im Journal für praktische Chemie publiziert wird. Ostwald wird Assistent am physikalischen Kabinett bei Arthur v. Öttingen und knüpft somit erster wissenschaftlicher Kontakt nach Leipzig.
bullet1877/1878 Magisterarbeit und Dissertation.
bullet1880 heiratet er Helene von Reyher, aus der Ehe gehen 2 Töchter und 3 Söhne hervor. Ostwald wechselt als Assistent an das chemische Institut der Universität Dorpat zu Carl Schmidt. Auf dessen Empfehlung hin wird Ostwald 1882 an das Polytechnikum in Riga berufen.
bullet1883 unternimmt er eine Studienreise durch den deutschsprachigen, mitteleuropäischen Raum und baut dabei den Kontaktes zu seinen Fachkollegen aus.
bullet1887: Zusammen mit Jacobus Henricus van't Hoff gründet Ostwald die Zeitschrift für physikalische Chemie, Stöchiometrie und Verwandtschaftslehre.
bullet1887 - 1906 ist er Lehrstuhlinhaber für Physikalische Chemie an der Uni Leipzig.
bullet1888 Veröffentlichung des„Ostwaldschen Verdünnungsgesetzes“.
bullet~ 1900 erstellt er die „Ostwaldsche Stufenregel“ und die „Ostwald-Volmer-Regel“.
bullet1894 folgt die Veröffentlichung des energetischen Katalyse-Begriffs.
bullet1901-1908: Entwicklung des „Ostwald-Verfahrens“ zur großindustriellen Darstellung von Salpetersäure.
bullet1905 legt W. Ostwald auf eigenen Wunsch sein Lehramt in Leipzig nieder und siedelt über in sein Landhaus "Energie" nach Großbothen (Sachsen).
bullet1909 erhält er den Chemienobelpreis für seine Arbeiten über Katalyse, chemische Gleichgewichte und Reaktionsgeschwindigkeiten.
bulletAm 04.04.1932 stirbt Wilhelm Ostwald in Leipzig.

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2.Der Katalysator

Die Durchführung chemischer Reaktionen mithilfe von Katalysatoren ist seit der Antike bekannt (Gärung, Fermentation). Der Begriff „Katalyse“ wurde jedoch erst 1836 durch Jöns Jakob Berzelius eingeführt. Er geht aus von einer „neuen Kraft“ (= katalytische Kraft), die die betrachteten Reaktionen bewirkt.

Abb. 1: Jöns Jakob Berzelius [1] Abb. 2: Wilhelm Ostwald [2]

2.1 Definition nach J. J. Berzelius

„Die katalytische Kraft scheint eigentlich darin zu bestehen, dass Körper durch ihre bloße Gegenwart, nicht durch ihre Verwandtschaft, die bei dieser Temperatur schlummernden Reaktionseigenschaften zu erwecken vermögen..." (1836)

Berzelius beschreibt in seinen Ausführungen bereits die heterogene und homogene Katalyse und befasste sich Ansatzweise bereits mit der Energetik (Aktivierungsenergie), jedoch fehlt der Hinweis auf die durch den Katalysator bedingte Veränderung der Reaktionsgeschwindigkeit.

Erst W. Ostwald lieferte Einsichten über die thermodynamischen Prozesse während der Katalyse und prägte somit den modernen Katalysator-Begriff. Er definierte auch das Phänomen der Autokatalyse genauer. Für seine Forschungen auf dem Gebiet der Katalyse wurde ihm 1909 den Nobelpreis für Chemie verliehen.

2.2 Definition nach W. Ostwald

"Katalyse ist die Beschleunigung eines langsam verlaufenden chemischen Vorgangs durch die Gegenwart eines fremden Stoffes." (1894) "Ein Katalysator ist jeder Stoff, der, ohne im Endprodukt einer chemischen Reaktion zu erscheinen, ihre Geschwindigkeit verändert." (1901)

Demnach sind Katalysatoren Stoffe, die in den Reaktionsmechanismus eingreifen, aber selbst durch die Reaktion nicht verbraucht werden. Sie treten in der Bruttogleichung nicht auf! Der Katalysator verändert durch Beschleunigung bzw. Verlangsamung der Hin-/Rückreaktion den Mechanismus der Reaktion, jedoch nicht die Gleichgewichtslage.


Abb. 3: Energiediagramm

Positiv katalysierte Reaktionen besitzen eine kleinere Aktivierungsenergie als nicht katalysierte Reaktionen, daraus folgt eine Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit. Bei negative Katalysatoren (Inhibitoren) wird die Reaktionsgeschwindigkeit erniedrigt, das heißt der Katalysator bremst die Reaktion. Sie finden unter anderem Anwendung in der chemischen Industrie da sie schnelle Reaktionen (Explosionen) kontrollierbar und sicher machen.

Je nach Aggregatszustand der an der Reaktion beteiligten Stoffe unterscheidet man zwischen homogene Katalysen, hier liegen Edukte und Katalysator liegen in der gleichen Phase vor ( z.B. gasförmig oder gelöst), und heterogene Katalysen bei der fester Katalysatoren beteiligt sind. Homogene Katalyse findet bei der Säurekatalysierten Estersynthese und der Ozonbildung durch Stickoxide statt. Die Zersetzung von Wasserstoffperoxid, das Haber-Bosch-Verfahren und das Ostwald-Verfahren sind Beispiele für eine heterogene Katalyse.

2.3 Wirkungsweise von Katalysatoren

a) Bildung leicht reagierender Zwischenprodukte

Der Katalysator (K) bildet zusammen mit den Edukten (A) reaktionsfähige Zwischenverbindungen, die dann mit dem zweiten Reaktionspartner (B) weiterreagieren. Der Katalysator wird dabei rückgebildet. Diese Teilreaktionen verlaufen schneller als die direkte Reaktion, da die Aktivierungsenergien kleiner sind als die der Gesamtreaktion. Derartig wirkende Katalysatoren werden auch als „Überträger“ bezeichnet und kommen zumeist bei der homogenen Katalyse, zum Einsatz.

Abb. 4: Reaktionsschema: Zwischenprodukte

b) Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit

An der Oberfläche des festen Katalysators (= heterogene Katalyse) wird der reagierende Stoff durch Adsorption in einen reaktionsfähigen Zustand überführt. In diesem aktivierten Zustand findet eine schnellere Reaktion statt als im Unaktivierten. Nicht die ganze Oberfläche des Katalysators ist wirksam, sondern nur das aktive Zentrum. Eine große Oberfläche und das Zusetzen von Promotoren (alleine nicht katalytisch wirksam!) erhöhen die Wirksamkeit. Ein typischer heterogener Katalysator ist Pt bzw. ein Platinnetz.

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3. Das Ostwaldverfahren

Das Ostwald-Verfahren ist ein großindustrielles Verfahren zur Darstellung von Salpetersäure (bis zu 68%ige HNO3) durch katalytische Ammoniakverbrennung.

3.1 Reaktionsschritte

Das Ostwaldverfahren lässt sich grob in 3 Teilschritte untergliedern. Im ersten Teilschritt wird Ammoniak (aus dem Haber-Bosch-Verfahren) mit überschüssiger Luft bei 600-700 °C katalytisch zu Stickoxid verbrannt. Als Katalysator dient ein Platin- oder Platin-Rhodium-Netz welches 1024 Maschen je cm2 besitzt. Die Reaktionszeit darf dabei nur ca. 10 -4 s betragen, da NO bei den herrschenden Temperaturen metastabil ist und in N2 und O2 zerfallen würde.

    ΔRH=-906kJ

Im zweiten Teilschritt findet die Oxidation des Stickoxides zum Stickstoffdioxid statt. Dieser Teilschritt muss unter stetiger Kühlung erfolgen, da bei niedrigen Temperaturen einer Dimerisierung des Stickstoffdioxides zu Distickstofftetraoxid erfolgt. (jeweils ΔRH=-57kJ)

Das in Teilschritt 2 erhaltene N2O4 wird in mit Raschig-Ringen befüllten Rieseltürmen durch Wasserzufuhr in HNO2 und HNO3 überführt. Um die Ausbeute an Salpetersäure zu erhöhen, wir die, sich in HNO3 und Stickoxid zersetzende Salpetrige Säure, mit Luftdauerstoff zu HNO3 umgesetzt.

Da alle Reaktionen exotherm sind, sowie die Oxidations- und Absorptionsreaktionen mit einer Volumenverringerung verbunden sind, muss zur Steigerung der Konzentration und Ausbeute bei niedrigen Temperaturen und einem Druck von 3-10 bar gearbeitet werden.

Abb. 4: Modell der Syntheseanlage

3.2 Geschichtlicher Hintergrund

Neben dem Ostwald-Verfahren sind 2 weitere Verfahren zur technischen Darstellung von HNO3 bekannt. Zum einen durch so genannte „Luftverbrennung“ im elektrischen Lichtbogen,  auch  Birkeland-Eyde-Verfahren (1903) genannt.

Vor 1900 gewann man Salpetersäure durch Umsetzen von konz. Schwefelsäure mit KNO3 oder NaNO3 (Chilesalpeter). Die Abhängigkeit von natürlichen Salpetervorkommen (Monopol: Chile) und der stetig steigende Bedarf an Salpetersäure durch Düngemittel- und vor allem Kriegsmittelindustrie trieb die Forschungen auf dem Gebiet der großtechnischen Darstellungsverfahren voran. Obwohl Ostwald sein Verfahren bereits 1901 veröffentlichte, konnte es erst nach Ende des 1. Weltkrieges aufgrund des Mangels an Edelmetallen industriell eingesetzt werden. Salpetersäure ist einer der wichtigsten Grundstoffe der chemischen Industrie und wird neben dem Gebrauch als Düngemittel und Sprengstoffgrundlage in der Pharmazie, Metallstofftechnik, Färbemittel-, Polyester- und Polyamidherstellung u.a. verwendet.

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4. Weitere Leistungen W. Ostwalds

Wilhelm Ostwald beschränkte sich nicht nur auf Forschungen auf dem Gebiet der Physikalischen Chemie sondern war eine umfassend gebildete Persönlichkeit. Er war Philosoph, Literat, Psychologe, Pädagoge, Linguistiker und Landschaftsmaler. Er nahm teil an den Bemühungen eine zur Schaffung einer einheitlichen Weltsprache (ESPERANTO, IDO). Angemerkt sei auch Ostwalds Einsatz für das Projekt "Die Brücke", eine internationale Institution zur Organisation der geistigen Arbeit, deren Ziel es war den Informationsaustausch auf verschiedensten wissenschaftlichen Gebieten zu fördern.

Des weitern war W. Ostwald sehr aktiv auf dem Gebiet der Farbenlehre. Er entwickelte ein genormtes Farbsystem, war Herausgeber des "Ostwaldschen Farbatlas" und Gründer der Werkstelle für Farbenkunde in Dresden, welche sich z.B. mit Anwendungsproblemen in der Farbindustrie befasst.

Abb. 5: Ostwaldscher Doppelkegel [3]

Ostwald war der Verfasser einer Vielzahl unterschiedlicher Schriften auf diversen Gebieten : Physikalische bzw. allgemeine Chemie und deren Anwendungen in Biologie, Medizin, Malerei u. a.. Als Literat befasste er sich auch mit Naturphilosophie, Wissenschaftsgeschichte und -theorie, Ethik, Linguistik, Weltanschauungen, Organisationswissenschaften, Persönlichkeitsforschung, Farbenlehre, Formenlehre, Kunsttheorie, Reklame, Technikwissenschaft und Pädagogik.

Es sind jedoch seine herausragenden Leistungen in der Chemie, wie z.B. die Definition des Katalysebegriffs und das Ostwaldverfahren zur Salpetersäuredarstellung, die die meisten Würdigungen fanden und ihm einen Platz in der Geschichte der Chemie sicherten. Er kann neben Svante Arrhenius und Jacobus Henricus van't Hoff als der Mitbegründer der Physikalischen Chemie genannt werden.

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5. Literatur:

  1. http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:J%C3%B6ns_Jakob_Berzelius.jpeg 11.07.2006 (Urheber: Johan Gustaf Sandberg, Lizenz: Gemeinfrei)
  2. http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Wilhelm_Ostwald.jpg 11.07.2006 (Lizenz: Gemeinfrei, United States Public Domain)
  3. http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Oswaldscher_Doppelkegel.jpg 11.07.2006 (Autor: Kolossos, Lizenz: GNU Free Documentation License)
  4. www.seilnacht.com/Lexikon/katalys.htm   02.12.2005.
  5. http://hometown.aol.de/ostwaldenergie/index.htm  02.12.2005
  6. Holleman-Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 100. Auflage, Walter de Gruyer, 1985
  7. Riedel, Anorganische Chemie, 5. Auflage, Walter de Gruyter, 2002
  8. E. Rossa, Chemie in der Schule, 42 Heft 9, 1995, S. 319 - 322

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