Johannes Nicolaus Brønsted

Bedeutung und wissenschaftlicher Schwerpunkt

Johannes Nicolaus Brønsted (* 22. Februar 1879 in Varde, Jütland; † 17. Dezember 1947 in Kopenhagen) war ein dänischer Physikochemiker. Besonders bekannt ist er für seine Säure-Base-Theorie, die heute meist Brønsted-Lowry-Theorie genannt wird. Sie gehört zu den wichtigen Säure-Base-Konzepten der Chemie.

Brønsted arbeitete vor allem in der Physikalischen Chemie, also in dem Bereich der Chemie, der chemische Vorgänge mit physikalischen Methoden und Begriffen erklärt. Ein weiterer Schwerpunkt war die chemische Thermodynamik, die Energieumsätze und Gleichgewichte chemischer Prozesse untersucht. In Dänemark war dieses Gebiet zu seiner Zeit noch wenig entwickelt, obwohl es international durch Forscher wie Wilhelm Ostwald, Svante Arrhenius und Walther Nernst stark vorankam.

Ausbildung und akademische Laufbahn

Brønsted begann 1897 ein Studium als Chemieingenieur am Polytechnikum in Kopenhagen und schloss es 1899 ab. Danach studierte er Chemie an der Universität Kopenhagen und beendete dieses Studium 1902. Im Jahr 1905 wurde er Assistent am Chemischen Institut.

1908 wurde Brønsted promoviert. Im selben Jahr erhielt er an der Universität Kopenhagen den neu eingerichteten dritten Chemie-Lehrstuhl für Physikalische Chemie. Gleichzeitig unterrichtete er bis 1930 anorganische Chemie am Polytechnikum.

Ab 1930 wurde er Direktor eines neu gegründeten Instituts für Physikalische Chemie in Kopenhagen. Dort erhielt er auch ein eigenes Labor. Die Gründung geschah mit internationaler Unterstützung, weil Brønsted viele ausländische Wissenschaftler und Studenten nach Kopenhagen zog, die Arbeitsbedingungen dort aber zuvor sehr beengt waren.

Forschungen vor der Säure-Base-Theorie

Brønsted knüpfte an Arbeiten von Julius Thomsen an, der sich im 19. Jahrhundert in Kopenhagen mit physikalisch-chemischen Fragen beschäftigt hatte. Ab 1904 veröffentlichte Brønsted Arbeiten zur chemischen Affinität. Chemische Affinität bezeichnet die Neigung von Stoffen, miteinander zu reagieren. Besonders wichtig waren 13 Monographien aus den Jahren 1906 bis 1921.

Brønsted verband die chemische Affinität wie Thomsen mit Reaktionswärmen, untersuchte sie aber nicht kalorimetrisch. Stattdessen nutzte er die elektromotorische Kraft galvanischer Zellen. Eine galvanische Zelle ist eine Anordnung, in der eine chemische Reaktion elektrische Spannung erzeugt. Die dritte dieser Arbeiten war zugleich seine Dissertation. Teilweise stützten seine Ergebnisse die 1906 von Walther Nernst aufgestellte Theorie.

Anfang der 1920er-Jahre arbeitete Brønsted zusammen mit George de Hevesy an der Isotopentrennung durch fraktionierte Destillation von Quecksilber und Chlor sowie an der Bestimmung ihrer Atommassen. Isotope sind Varianten eines Elements mit unterschiedlicher Atommasse. Fraktionierte Destillation ist ein Trennverfahren, das unterschiedliche Siedeeigenschaften nutzt.

Brønsted untersuchte außerdem die von Gilbert Newton Lewis eingeführten Aktivitätskoeffizienten experimentell. Aktivitätskoeffizienten beschreiben, wie stark sich gelöste Teilchen in realen Lösungen von idealem Verhalten unterscheiden. Gemeinsam mit La Mer fand er deren Abhängigkeit von Ladung und Ionenstärke. Die Ionenstärke beschreibt die Gesamtwirkung geladener Teilchen in einer Lösung. Zur gleichen Zeit untersuchten Peter Debye und Erich Hückel diesen Zusammenhang theoretisch. 1922 klärte Brønsted den Einfluss der Aktivitätskoeffizienten von Lösungen auf Reaktionsgeschwindigkeiten.

Brønsted-Lowry-Theorie und spätere Arbeiten

1923 formulierte Brønsted seine Protonen-Theorie über Säuren und Basen. Sie wird heute Brønsted-Lowry-Theorie genannt, weil Brønsted und Martin Lowry unabhängig voneinander zu derselben Definition kamen. Der Artikel nennt diese Theorie als Brønsteds bekannteste Leistung.

Ausgangspunkt war Brønsteds Untersuchung der katalytischen Zersetzung von Nitramid mit Pedersen im Jahr 1922. Katalyse bedeutet, dass ein Stoff eine chemische Reaktion beeinflusst, ohne dabei dauerhaft verbraucht zu werden. Dabei erkannte Brønsted, dass Stoffe auch basenartig wirken können, wenn sie keine Hydroxidionen bilden. Hydroxidionen sind negativ geladene Teilchen mit der Formel OH⁻. Diese Beobachtung führte zu einer allgemeineren Auffassung von Säuren und Basen als in älteren Konzepten.

1926 und 1927 war Brønsted Gastprofessor in den USA. Er hielt Vorlesungen unter anderem an der Yale University und der Columbia University. In späteren Jahren beschäftigte er sich mit kolloidchemischen Studien und mit den Eigenschaften von Hochpolymeren. Kolloide sind fein verteilte Stoffsysteme, Hochpolymere sehr große Moleküle aus vielen Bausteinen.

Brønsted war mit den üblichen Darstellungen der Thermodynamik unzufrieden und entwickelte eine eigene Formulierung. Diese brachte ihn in heftige Konflikte mit Physikern. 1947 wurde er für Venstre in den Folketing gewählt, konnte sein Mandat wegen fortschreitender Krankheit aber nicht mehr antreten.

Schriften, Ehrungen und Namensschreibung

Zu Brønsteds ausgewählten Schriften gehören „Blandingsaffiniteten: binaere Systemer“ von 1908, das Lehrbuch „Grundrids of den fysiske kemi“ von 1912 mit Neuauflagen 1936 und 1943 sowie einer englischen Übersetzung von 1937, und der Aufsatz „Einige Bemerkungen über den Begriff der Säuren und Basen“ von 1923. Außerdem veröffentlichte er mit V. K. La Mer „The Activity Coefficients of Ions in Very Dilute Solutions“ (1924) und mit K. Pedersen „Die katalytische Zersetzung des Nitramids und ihre physikalisch-chemische Bedeutung“ (1924). Spätere Arbeiten behandelten unter anderem Säure- und Basenkatalyse sowie Grundfragen der Energetik.

Brønsted erhielt mehrere Ehrungen. 1928 bekam er die Örsted-Medaille der dänischen Selskabet for naturlærens udbredelse. 1929 wurde er Mitglied der American Academy of Arts and Sciences. 1947 erhielt er ein Ehrendoktorat der University of London und wurde Mitglied der National Academy of Sciences.

Der Artikel weist außerdem darauf hin, dass Brønsteds Name in einigen deutschen Lehrbüchern fälschlich als Brönsted, Brönstedt oder Brønstedt geschrieben wird.