Jacobus Henricus van 't Hoff: Die Form des Unsichtbaren

Im Herbst 1874 veröffentlichte ein niederländischer Student, dem noch drei Monate bis zur Promotion fehlten, eine Broschüre, in der er argumentierte, dass die vier Bindungen eines Kohlenstoffatoms auf die Ecken eines Tetraeders zeigen. Niemand hatte je ein Molekül gesehen; und niemand sollte dies für Jahrzehnte tun. Van 't Hoff hatte die Form aus der Art und Weise abgeleitet, wie bestimmte Substanzen einen Strahl polarisierten Lichts drehen. Er war zweiundzwanzig Jahre alt und hatte recht. Einer der bedeutendsten Chemiker Deutschlands antwortete darauf, indem er ihn beschuldigte, auf Pegasus gestiegen zu sein.

Rotterdam, Delft und Byron

Er wurde am 30. August 1852 in Rotterdam als drittes von sieben Kindern des Arztes Jacobus Henricus van 't Hoff Sr. und Alida Kolff geboren. Wissenschaft interessierte ihn früh, aber auch Byron, dessen Poesie und Philosophie er als Schüler ernsthaft las – ein Detail, das es wert ist, festgehalten zu werden, denn die Qualität, die seine Karriere ausmachte, lag näher an dichterischer als an laborpraktischer Geduld.

Er erwarb zwischen 1869 und 1871 einen Abschluss als Chemie-Technologe in Delft, den er in zwei statt der üblichen drei Jahre abschloss, und studierte dann in Leiden, in Bonn bei August Kekulé und in Paris bei Adolphe Wurtz, bevor er 1874 in Utrecht unter Eduard Mulder promovierte.

Die Broschüre

Das Problem, das er anging, war alt und hartnäckig. Bestimmte Verbindungen drehten polarisiertes Licht, und bestimmte Verbindungen mit identischen Formeln verhielten sich unterschiedlich zueinander. Nichts in der flachen, zweidimensionalen Strukturchemie erklärte das Warum.

Van 't Hoffs Antwort war es, Molekülen eine dritte Dimension zu verleihen. Wenn die vier Bindungen des Kohlenstoffs zu den Ecken eines regelmäßigen Tetraeders strahlen, dann kann ein Kohlenstoffatom mit vier verschiedenen Gruppen auf zwei Arten angeordnet werden, die Spiegelbilder sind und nicht zur Deckung gebracht werden können – und diese beiden Anordnungen würden das Licht in entgegengesetzte Richtungen drehen. Optische Aktivität und Isomerie ergaben sich aus einer einzigen geometrischen Annahme. Die niederländische Broschüre erschien Ende 1874, die französische Fassung, La chimie dans l'espace, im Mai 1875. Der französische Chemiker Joseph Le Bel kam unabhängig und zur gleichen Zeit zum selben Ergebnis.

Um einen Berufsstand zu überzeugen, der nicht sehen konnte, was er beschrieb, verschickte van 't Hoff dreidimensionale Papier-Modelle von tetraedrischen Molekülen an die führenden Chemiker der damaligen Zeit.

Kolbes Pegasus

Der Empfang war feindselig, und der meistzitierte Angriff kam von Hermann Kolbe, der sich über den jungen Mann lustig machte, weil er "Pegasus bestiegen" habe, um zu verkünden, "wie ihm die Atome erschienen seien." Es war als Vernichtung gedacht. Da die Atome ihm tatsächlich so erschienen und das korrekt, ist die Beleidigung zu einem versehentlichen Kompliment gealtert.

Die Theorie wartete etwa sechs Jahre auf ihre Anerkennung. Um 1880 sprachen sich Johannes Wislicenus und Viktor Meyer dafür aus, und die Stereochemie wurde zu einem Fachgebiet statt zu einem Skandal.

Chemische Dynamik

Nachdem er die Form der Moleküle festgelegt hatte, wandte er sich der Frage zu, was sie tun, und hier war sein Beitrag weniger eine einzelne Erkenntnis als vielmehr der umfassende Import einer Disziplin in eine andere. Études de dynamique chimique (1884) legte graphische Methoden zur Bestimmung der Reaktionsordnung dar und wandte die Gesetze der Thermodynamik auf das chemische Gleichgewicht an. Sie ersetzte den vagen Begriff der chemischen Affinität – die mysteriöse Tendenz von Substanzen, sich zu verbinden – durch eine Größe, die aus thermodynamischen Daten berechnet werden konnte.

Die Beziehung zwischen einer Gleichgewichtskonstante und der Temperatur, die sich daraus ergab, wird heute noch als van 't Hoff-Gleichung gelehrt. 1889 lieferte er die physikalische Begründung, die Svante Arrhenius' Gleichung für Reaktionsgeschwindigkeiten untermauerte.

Lösungen, die sich wie Gase verhalten

1886 demonstrierte er die Analogie, die seine Zeitgenossen am meisten beeindruckte: hochverdünnte Lösungen gehorchen mathematischen Gesetzen, die denen der Gase sehr ähnlich sind, wobei der osmotische Druck die Rolle spielt, die der Gasdruck in einem Behälter spielt. Ein gelöster Stoff konnte mit anderen Worten behandelt werden, als wäre er ein Gas, das das Volumen des Lösungsmittels einnimmt.

Die Konsequenz war eine ganze Disziplin. Zusammen mit Wilhelm Ostwald gründete er 1887 die Zeitschrift für physikalische Chemie, was der physikalischen Chemie eine Fachzeitschrift und damit eine Identität gab, und er arbeitete mit Arrhenius an der Dissoziation von Elektrolyten. Chemie, die eine Wissenschaft der Substanzen gewesen war, wurde zu einer Wissenschaft der messbaren Größen.

Berlin und das Salz

Er lehrte zunächst an der Veterinärschule in Utrecht, hatte dann fast zwei Jahrzehnte lang einen Lehrstuhl an der Universität Amsterdam als Professor für Chemie, Mineralogie und Geologie inne und leitete schließlich das Institut. 1896 zog er nach Berlin und nahm eine Stelle an der Preußischen Akademie der Wissenschaften an, die so gestaltet war, dass sie ihm Zeit für Forschung statt für Lehre gab. Dort wandte er seine Thermodynamik der Lösungen auf die ozeanischen Salzablagerungen bei Stassfurt an, eine Arbeit von erheblichem Wert für die preußische Industrie.

1901 verlieh ihm die Schwedische Akademie den allerersten Nobelpreis für Chemie, "in Anerkennung der außerordentlichen Verdienste, die er durch die Entdeckung der Gesetze der chemischen Dynamik und des osmotischen Drucks in Lösungen erworben hat." Er betrachtete dies als den Höhepunkt seiner Karriere.

Warum Jacobus ein Genie genannt wird

Die fragliche Fähigkeit ist räumliche Vorstellungskraft, die durch Beweise diszipliniert wird, und die Broschüre von 1874 ist ein so sauberes Beispiel, wie es die Wissenschaftsgeschichte bietet. Van 't Hoff nahm eine Messung – die Drehung von polarisiertem Licht – und leitete daraus die Geometrie eines Objekts ab, das kein Instrument seiner Ära auflösen konnte. Er beschrieb nichts Beobachtetes; er argumentierte, dass die Realität eine bestimmte Form haben müsse, damit die Zahlen so ausfallen, wie sie es taten. Das ist der Grund, warum Moleküle seither in drei Dimensionen gezeichnet werden.

Die zweite Errungenschaft ist anderer Art und wohl größer. Der großflächige Import der Thermodynamik in die Chemie und der Nachweis, dass gelöste Substanzen gasähnlichen Gesetzen gehorchen, verwandelten eine deskriptive Wissenschaft in eine quantitative. Nur sehr wenige Menschen tragen grundlegend zu zwei Fachgebieten bei; van 't Hoff begründete die Stereochemie mit zweiundzwanzig und die physikalische Chemie in seinen Dreißigern.

Die Einschränkungen sind real. Le Bel kam im selben Jahr unabhängig zum tetraedrischen Kohlenstoff, was darauf hindeutet, dass die Idee eher reif als unerreichbar war – die Royal Society teilte deshalb 1893 die Davy-Medaille zwischen ihnen auf. Der Vorschlag war ein Sprung ohne direkte Beweise, und der Berufsstand lehnte ihn sechs Jahre lang ab; wäre die Geometrie anders gewesen, würde die Broschüre heute als Spekulation eines jungen Mannes gelesen werden. Und sein Nobelpreis wurde nicht für das Tetraeder, seine berühmteste Idee, sondern für die Arbeit an Lösungen verliehen. Kolbes Vorwurf, Pegasus zu reiten, war bezüglich des Ziels falsch, nicht bezüglich der Methode.

Vermächtnis

Er heiratete 1878 Johanna Francina Mees; sie hatten vier Kinder. Auszeichnungen sammelten sich stetig – die Ehrenlegion 1894, der Pour le Mérite 1895, ausländische Mitgliedschaft der Royal Society 1897, Ehrendoktorwürden von Harvard und Yale 1901, Manchester 1903, Heidelberg 1908 und die Helmholtz-Medaille im Jahr seines Todes. Er starb am 1. März 1911 im Alter von achtundfünfzig Jahren in Steglitz bei Berlin an Tuberkulose.

Sein Name überlebt eher im Arbeitsvokabular als in Monumenten: die van 't Hoff-Gleichung, der van 't Hoff-Faktor, die Le Bel-van 't Hoff-Regel. Ein Asteroid wurde 2021 nach ihm benannt. Jede Strukturformel, die mit einem Keil und einer gestrichelten Linie gezeichnet ist, stammt von einer Broschüre ab, von der ein großer Chemiker dachte, sie sei von einem Mann geschrieben worden, der den Verstand verloren hatte.