Svante Arrhenius

Bedeutung und wissenschaftlicher Werdegang

Svante August Arrhenius (* 19. Februar 1859 auf Schloss Vik bei Uppsala; † 2. Oktober 1927 in Stockholm) war ein schwedischer Physiker und Chemiker. Seine wichtigste Leistung war die Theorie der elektrolytischen Dissoziation: Sie erklärt, dass Salze, Säuren und Basen in Wasser geladene Teilchen, Ionen, bilden. Dafür erhielt er 1903 als erster Schwede den Nobelpreis für Chemie. Außerdem formulierte er 1896 als Erster eine Vorhersage globaler Erwärmung durch vom Menschen verursachte Kohlendioxid-Emissionen.

Arrhenius zeigte schon früh besondere Fähigkeiten in Mathematik und Physik. Er studierte ab 1876 Mathematik und Naturwissenschaften in Uppsala und wechselte 1881 an die Universität Stockholm. Dort promovierte er 1884 mit der französisch verfassten Arbeit Recherches sur la conductibilité galvanique des électrolytes über die elektrische Leitfähigkeit von Elektrolyten. Die Dissertation wurde zunächst sehr schlecht bewertet; Wilhelm Ostwald bestätigte seine Überlegungen jedoch experimentell und unterstützte ihn.

Von 1885 an arbeitete Arrhenius zeitweise bei Wilhelm Ostwald in Riga und Leipzig, bei Friedrich Kohlrausch in Würzburg, bei Ludwig Boltzmann in Graz und bei van ’t Hoff in Amsterdam. 1891 wurde er an der Universität Stockholm „Laborator für Physik“, 1895 Professor. 1905 wechselte er an das Nobelinstitut für Physikalische Chemie. 1927 trat er als dessen Direktor zurück und starb am 2. Oktober 1927 an den Folgen eines akuten Darmkatarrhs.

Ionen und elektrische Leitfähigkeit

Die elektrolytische Dissoziation beschreibt die Aufspaltung gelöster Stoffe in Ionen. Ionen sind elektrisch geladene Teilchen. Zu Arrhenius’ Zeit war die Vorstellung freier geladener Teilchen in wässrigen Lösungen umstritten: Bei Kochsalz nahm man an, frei bewegliche Natrium- und Chloratome müssten wegen ihrer hohen Reaktivität etwa durch Chlorgeruch auffallen.

Messungen zur Gefrierpunktserniedrigung und zur elektrischen Leitfähigkeit stützten Arrhenius’ Theorie. Richard Abegg zeigte mit Rohrzucker- und Kaliumchloridlösungen, dass Kaliumchlorid tatsächlich in Ionen dissoziiert sein musste und die aus Gefrierpunktserniedrigungen bestimmten Werte mit Leitfähigkeitsmessungen bei derselben Konzentration übereinstimmten.

Arrhenius bezeichnete den Anteil der dissoziierten Teilchen zunächst auch als Aktivitätskoeffizient; gemeint ist hier der Dissoziationsgrad. Er gibt an, welcher Anteil einer Teilchensorte als Ionen vorliegt. In sehr stark verdünnten Lösungen strebt er gegen 1: Salze, Säuren und Basen liegen dann vollständig als Ionen vor. In konzentrierten Lösungen ist er kleiner als 1, sodass nicht alle Teilchen dissoziiert sind.

Für 1,1-Elektrolyte gab Arrhenius die Formel α = Λ_m/Λ_0 an. Dabei ist α der Dissoziationsgrad, Λ_m die molare Äquivalentleitfähigkeit und Λ_0 die Grenzleitfähigkeit bei unendlicher Verdünnung. Er nahm außerdem an, dass jedes Ion einen eigenen Leitfähigkeitscharakter besitzt. Daraus folgt die heute so genannte Grenzleitfähigkeit der Ionen bei unendlicher Verdünnung.

Reaktionsgeschwindigkeit, Klima und Weltall

Arrhenius untersuchte auch die Kinetik, also die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen. Er erforschte 1889, wie Konzentrationen der beteiligten Ionen und die Temperatur die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen. Die Temperatur verändert die Reaktionsgeschwindigkeit von Ionen exponentiell; deren Konzentration kontrollierte er durch Leitfähigkeitsmessungen. Die Auswertung mit der Arrhenius-Gleichung ist allgemein anerkannt. Dabei knüpfte er an Untersuchungen Kohlrauschs an, der bei manchen Elektrolyten bei steigender Temperatur auch eine sinkende Leitfähigkeit beobachtet hatte.

In Meteorologie und Geophysik beschäftigte sich Arrhenius mit Polarlicht, Gewittern und Klimaschwankungen. Er vermutete, dass kosmischer Strahlungsdruck Vorgänge im Raum beeinflusse und zu Lichterscheinungen wie dem Polarlicht führe. 1895 stellte er eine Theorie zum Treibhausgaseffekt vor: Kohlenstoffdioxid kann infrarote Wärmestrahlen des von der Erde abgestrahlten Lichts absorbieren. Die Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle, Öl und Gas könne den Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre und damit die Temperatur erhöhen. Wasserdampf wirke nach seiner Annahme in die gleiche Richtung und verstärke den Effekt. Bei einer Verdoppelung der Kohlendioxid-Konzentration erwartete er eine weltweite Erwärmung von 4 bis 6 °C. Den menschlich verstärkten Treibhauseffekt bewertete er überwiegend positiv, weil er gleichmäßigere klimatische Verhältnisse, besonders in kälteren Erdteilen, und höhere Ernten erwartete.

Arrhenius forschte außerdem zur Immunchemie; seine Thesen widersprachen den Ansichten Paul Ehrlichs. In der Kosmologie begründete er 1906 die Panspermie-Lehre. Danach könnte Leben durch Meteoriten zur Erde gelangt sein; Arrhenius hielt eine Übertragung von Sporen zwischen Planeten für möglich.

Eugenik und Anerkennung

Arrhenius war Gründungs- und Vorstandsmitglied der 1909 gegründeten Schwedischen Gesellschaft für Rassenhygiene. Diese Gesellschaft wollte Eugenik fördern, also die kontrollierte Fortpflanzung beim Menschen auf Grundlage einer unwissenschaftlichen Rassentheorie, und dafür öffentliche sowie politische Unterstützung gewinnen. Der Wissenschaftshistoriker Gunnar Broberg führt Arrhenius’ Vorstandsarbeit auf dessen zustimmende Haltung zur Verbreitung neuer Wissenschaften zurück.

Neben dem Nobelpreis für Chemie von 1903 erhielt Arrhenius 1902 die Davy-Medaille der Royal Society. Die Universität Heidelberg verlieh ihm am 8. August 1903 die Ehrendoktorwürde; weitere Ehrendoktorwürden erhielt er unter anderem von Cambridge, Oxford, Greifswald, Leipzig, Groningen, Edinburgh und Birmingham. Er gehörte zahlreichen wissenschaftlichen Akademien und Gesellschaften an. Nach ihm benannt sind der Marskrater Arrhenius, der Mondkrater Arrhenius und der Asteroid (5697) Arrhenius. Die Schwedische Chemische Gesellschaft verleiht seit 1962 jährlich die Arrhenius-Plakette für herausragende chemische Forschung.