Jacobus Henricus van 't Hoff : La forme de l'invisible

À l'automne 1874, un étudiant néerlandais à trois mois de son doctorat publie une brochure affirmant que les quatre liaisons d'un atome de carbone pointent vers les sommets d'un tétraèdre. Personne n'avait jamais vu de molécule ; personne ne le ferait avant des décennies. Van 't Hoff avait déduit cette forme à partir de la manière dont certaines substances font pivoter un faisceau de lumière polarisée. Il avait vingt-deux ans, et il avait raison. L'un des chimistes les plus éminents d'Allemagne répondit en l'accusant de monter Pégase.

Rotterdam, Delft et Byron

Il est né le 30 août 1852 à Rotterdam, troisième des sept enfants d'un médecin, Jacobus Henricus van 't Hoff Sr., et d'Alida Kolff. La science l'a intéressé très tôt, mais Byron aussi, dont il a étudié sérieusement la poésie et la philosophie en tant qu'écolier — un détail qui mérite d'être retenu, car la qualité qui a fait sa carrière était plus proche de la patience poétique que de celle du laboratoire.

Il obtient un diplôme de technologue chimiste à Delft entre 1869 et 1871, terminant en deux ans plutôt que les trois habituels, puis étudie à Leyde, à Bonn sous la direction d'August Kekulé, et à Paris sous celle d'Adolphe Wurtz, avant d'obtenir son doctorat à Utrecht en 1874 sous la direction d'Eduard Mulder.

La brochure

Le problème qu'il a attaqué était ancien et tenace. Certains composés faisaient tourner la lumière polarisée, et certains composés aux formules identiques se comportaient différemment les uns des autres. Rien dans la chimie structurelle plane et bidimensionnelle ne l'expliquait.

La réponse de van 't Hoff fut de donner aux molécules une troisième dimension. Si les quatre liaisons du carbone rayonnent vers les sommets d'un tétraèdre régulier, alors un atome de carbone portant quatre groupes différents peut être agencé de deux manières qui sont des images miroir et ne peuvent être superposées — et ces deux arrangements feraient tourner la lumière dans des directions opposées. L'activité optique et l'isomérie découlèrent d'une unique hypothèse géométrique. La brochure néerlandaise parut fin 1874, la version française, La chimie dans l'espace, en mai 1875. Le chimiste français Joseph Le Bel parvint à la même conclusion indépendamment et au même moment.

Pour persuader une profession incapable de voir ce qu'il décrivait, van 't Hoff envoya des modèles tridimensionnels en papier de molécules tétraédriques aux chimistes les plus en vue de l'époque.

Le Pégase de Kolbe

L'accueil fut hostile, et l'attaque la plus citée vint d'Hermann Kolbe, qui se moqua du jeune homme pour avoir « monté Pégase » afin de proclamer « comment les atomes lui apparaissaient ». C'était censé être une annihilation. Comme les atomes lui apparaissaient effectivement ainsi, et correctement, l'insulte a vieilli jusqu'à devenir un compliment accidentel.

La théorie attendit environ six ans pour être respectée. Vers 1880, Johannes Wislicenus et Viktor Meyer apportèrent leur soutien, et la stéréochimie devint un domaine plutôt qu'un scandale.

Dynamique chimique

Après avoir établi la forme des molécules, il s'est tourné vers la question de leur fonctionnement, et ici sa contribution fut moins une intuition isolée qu'une importation massive d'une discipline dans une autre. Études de dynamique chimique (1884) exposait des méthodes graphiques pour déterminer l'ordre d'une réaction et appliquait les lois de la thermodynamique à l'équilibre chimique. Il remplaça la vague notion d'affinité chimique — la mystérieuse tendance des substances à se combiner — par une quantité calculable à partir de données thermodynamiques.

La relation entre une constante d'équilibre et la température qui en a résulté est toujours enseignée sous le nom d'équation de van 't Hoff. En 1889, il fournit le raisonnement physique qui sous-tendait l'équation de Svante Arrhenius pour les vitesses de réaction.

Les solutions se comportant comme des gaz

En 1886, il démontra l'analogie qui a le plus impressionné ses contemporains : les solutions très diluées obéissent à des lois mathématiques ressemblant étroitement à celles régissant les gaz, la pression osmotique jouant le rôle que la pression du gaz joue dans un récipient. Une substance dissoute, en d'autres termes, pouvait être traitée comme si elle était un gaz occupant le volume du solvant.

La conséquence fut une discipline entière. Avec Wilhelm Ostwald, il fonda la Zeitschrift für physikalische Chemie en 1887, donnant à la chimie physique une revue et donc une identité, et il travailla avec Arrhenius sur la dissociation des électrolytes. La chimie, qui avait été une science des substances, est devenue une science des quantités mesurables.

Berlin et le sel

Il a d'abord enseigné à l'École vétérinaire d'Utrecht, puis a occupé une chaire à l'Université d'Amsterdam pendant près de deux décennies en tant que professeur de chimie, de minéralogie et de géologie, dirigeant finalement le département. En 1896, il s'installe à Berlin, acceptant un poste à l'Académie prussienne des sciences conçu pour lui donner du temps de recherche plutôt que d'enseignement. Il y a appliqué sa thermodynamique des solutions aux gisements de sel océaniques de Stassfurt, un travail d'une valeur considérable pour l'industrie prussienne.

En 1901, l'Académie suédoise lui a décerné le tout premier prix Nobel de chimie, « en reconnaissance des services extraordinaires qu'il a rendus par la découverte des lois de la dynamique chimique et de la pression osmotique dans les solutions ». Il considérait cela comme le sommet de sa carrière.

Pourquoi Jacobus est appelé un génie

La faculté en question est l'imagination spatiale disciplinée par la preuve, et la brochure de 1874 en est un exemple aussi clair que l'histoire des sciences en offre. Van 't Hoff a pris une mesure — la rotation de la lumière polarisée — et en a déduit la géométrie d'un objet qu'aucun instrument de son époque ne pouvait résoudre. Il ne décrivait pas quelque chose d'observé ; il soutenait que la réalité devait avoir une forme particulière pour que les chiffres ressortent tels qu'ils l'étaient. C'est la raison pour laquelle les molécules sont dessinées en trois dimensions depuis lors.

La seconde réalisation est d'une nature différente et sans doute plus vaste. Importer la thermodynamique dans la chimie et montrer que les substances dissoutes obéissent à des lois de type gazeux a transformé une science descriptive en une science quantitative. Très peu de personnes contribuent de manière fondamentale à deux domaines ; van 't Hoff a fondé la stéréochimie à vingt-deux ans et la chimie physique dans la trentaine.

Les nuances sont réelles. Le Bel est parvenu indépendamment au carbone tétraédrique la même année, ce qui suggère que l'idée était mûre plutôt qu'inaccessible — la Royal Society a partagé la médaille Davy entre eux en 1893 pour cette raison. La proposition était un saut sans preuve directe, et la profession l'a rejetée pendant six ans ; si la géométrie avait été autre, la brochure serait lue aujourd'hui comme la spéculation d'un jeune homme. Et son prix Nobel n'a pas été décerné pour le tétraèdre, son idée la plus célèbre, mais pour le travail sur les solutions. L'accusation de Kolbe de monter Pégase avait tort sur la destination, pas sur la méthode.

Héritage

Il a épousé Johanna Francina Mees en 1878 ; ils ont eu quatre enfants. Les honneurs se sont accumulés régulièrement — la Légion d'honneur en 1894, le Pour le Mérite en 1895, membre étranger de la Royal Society en 1897, doctorats honoris causa de Harvard et Yale en 1901, Manchester en 1903, Heidelberg en 1908, et la médaille Helmholtz l'année de sa mort. Il est décédé de la tuberculose à Steglitz, près de Berlin, le 1er mars 1911, à l'âge de cinquante-huit ans.

Son nom survit dans le vocabulaire technique plutôt que dans les monuments : l'équation de van 't Hoff, le facteur de van 't Hoff, la règle de Le Bel-van 't Hoff. Un astéroïde a été nommé en son honneur en 2021. Chaque formule structurelle dessinée avec un coin et une ligne pointillée descend d'une brochure qu'un grand chimiste pensait écrite par un homme qui avait perdu la tête.