Jacobus Henricus van 't Hoff: La forma dell'invisibile

Nell'autunno del 1874, uno studente olandese a tre mesi dal dottorato pubblicò un opuscolo sostenendo che i quattro legami di un atomo di carbonio puntano verso gli angoli di un tetraedro. Nessuno aveva mai visto una molecola; nessuno l'avrebbe fatto per decenni. Van 't Hoff aveva dedotto la forma dal modo in cui alcune sostanze fanno ruotare un fascio di luce polarizzata. Aveva ventidue anni ed aveva ragione. Uno dei chimici più eminenti della Germania rispose accusandolo di essere salito su Pegaso.

Rotterdam, Delft e Byron

Nacque il 30 agosto 1852 a Rotterdam, terzo dei sette figli di un medico, Jacobus Henricus van 't Hoff Sr., e di Alida Kolff. La scienza lo interessò precocemente, ma anche Byron, di cui studiò seriamente la poesia e la filosofia da scolaro: un dettaglio che vale la pena ricordare, perché la qualità che fece la sua carriera fu più vicina alla pazienza poetica che a quella di laboratorio.

Conseguì il diploma di tecnologo chimico a Delft tra il 1869 e il 1871, terminando in due anni invece dei tre consueti, poi studiò a Leida, a Bonn sotto August Kekulé e a Parigi sotto Adolphe Wurtz, prima di completare il dottorato a Utrecht nel 1874 sotto Eduard Mulder.

L'opuscolo

Il problema che affrontò era antico e ostinato. Alcuni composti ruotavano la luce polarizzata e alcuni composti con formule identiche si comportavano in modo diverso l'uno dall'altro. Nulla nella chimica strutturale piatta e bidimensionale spiegava il perché.

La risposta di van 't Hoff fu quella di dare alle molecole una terza dimensione. Se i quattro legami del carbonio irradiano verso i vertici di un tetraedro regolare, allora un atomo di carbonio che porta quattro gruppi diversi può essere disposto in due modi che sono immagini speculari e non possono essere sovrapposti: e quei due assetti farebbero ruotare la luce in direzioni opposte. L'attività ottica e l'isomeria derivarono da un'unica assunzione geometrica. L'opuscolo olandese apparve alla fine del 1874, la versione francese, La chimie dans l'espace, nel maggio 1875. Il chimico francese Joseph Le Bel arrivò alla stessa conclusione indipendentemente e nello stesso momento.

Per persuadere una professione che non poteva vedere ciò che stava descrivendo, van 't Hoff inviò modelli tridimensionali di carta di molecole tetraedriche ai principali chimici dell'epoca.

Il Pegaso di Kolbe

L'accoglienza fu ostile e l'attacco più citato venne da Hermann Kolbe, che derise il giovane per aver "montato Pegaso" per proclamare "come gli apparissero gli atomi". Doveva essere un annientamento. Poiché gli atomi gli apparivano effettivamente così, e correttamente, l'insulto è invecchiato fino a diventare un complimento accidentale.

La teoria attese circa sei anni per ottenere rispettabilità. Intorno al 1880, Johannes Wislicenus e Viktor Meyer si espressero a suo favore e la stereochimica divenne un campo di studi piuttosto che uno scandalo.

Dinamica chimica

Dopo aver stabilito la forma delle molecole, si rivolse alla questione di cosa facessero, e qui il suo contributo fu meno un'intuizione singola che l'importazione all'ingrosso di una disciplina in un'altra. Études de dynamique chimique (1884) delineò metodi grafici per determinare l'ordine di una reazione e applicò le leggi della termodinamica all'equilibrio chimico. Sostituì la vaga nozione di affinità chimica — la misteriosa tendenza delle sostanze a combinarsi — con una quantità che poteva essere calcolata dai dati termodinamici.

La relazione tra una costante di equilibrio e la temperatura che emerse è ancora insegnata come equazione di van 't Hoff. Nel 1889 fornì il ragionamento fisico che sosteneva l'equazione di Svante Arrhenius per le velocità di reazione.

Soluzioni che si comportano come gas

Nel 1886 dimostrò l'analogia che colpì di più i suoi contemporanei: le soluzioni altamente diluite obbediscono a leggi matematiche che assomigliano molto a quelle che regolano i gas, con la pressione osmotica che svolge il ruolo che la pressione del gas svolge in un contenitore. Una sostanza disciolta, in altre parole, poteva essere trattata come se fosse un gas che occupa il volume del solvente.

La conseguenza fu un'intera disciplina. Con Wilhelm Ostwald fondò la Zeitschrift für physikalische Chemie nel 1887, dando alla chimica fisica una rivista e quindi un'identità, e lavorò con Arrhenius sulla dissociazione degli elettroliti. La chimica, che era stata una scienza delle sostanze, divenne una scienza delle quantità misurabili.

Berlino e il sale

Insegnò dapprima alla Scuola Veterinaria di Utrecht, poi tenne una cattedra all'Università di Amsterdam per quasi due decenni come professore di chimica, mineralogia e geologia, arrivando a dirigere il dipartimento. Nel 1896 si trasferì a Berlino, assumendo un incarico all'Accademia Prussiana delle Scienze creato per dargli tempo per la ricerca piuttosto che per l'insegnamento. Lì applicò la sua termodinamica delle soluzioni ai depositi di sale oceanici a Stassfurt, un lavoro di notevole valore per l'industria prussiana.

Nel 1901 l'Accademia svedese gli conferì il primissimo Premio Nobel per la Chimica, "in riconoscimento degli straordinari servizi che ha reso con la scoperta delle leggi della dinamica chimica e della pressione osmotica nelle soluzioni". Lo considerò il culmine della sua carriera.

Perché Jacobus è chiamato un genio

La facoltà in questione è l'immaginazione spaziale disciplinata dall'evidenza, e l'opuscolo del 1874 è un esempio pulito quanto la storia della scienza possa offrire. Van 't Hoff prese una misura — la rotazione della luce polarizzata — e ne dedusse la geometria di un oggetto che nessuno strumento della sua epoca poteva risolvere. Non stava descrivendo qualcosa di osservato; stava sostenendo che la realtà doveva avere una forma particolare affinché i numeri risultassero come fecero. È il motivo per cui le molecole vengono disegnate in tre dimensioni da allora.

Il secondo risultato è diverso nel genere e indiscutibilmente più grande. Importare la termodinamica in blocco nella chimica, e mostrare che le sostanze disciolte obbediscono a leggi simili a quelle dei gas, ha convertito una scienza descrittiva in una quantitativa. Pochissime persone contribuiscono in modo fondamentale a due campi; van 't Hoff fondò la stereochimica a ventidue anni e la chimica fisica sulla trentina.

Le qualificazioni sono reali. Le Bel arrivò al carbonio tetraedrico indipendentemente nello stesso anno, il che suggerisce che l'idea fosse matura piuttosto che irraggiungibile: la Royal Society divise la Davy Medal tra loro nel 1893 per questo motivo. La proposta fu un salto senza prove dirette e la professione la rifiutò per sei anni; se la geometria fosse stata diversa, l'opuscolo verrebbe letto oggi come la speculazione di un giovane. E il suo Premio Nobel non fu assegnato per il tetraedro, la sua idea più famosa, ma per il lavoro sulle soluzioni. L'accusa di Kolbe di cavalcare Pegaso era sbagliata riguardo alla destinazione, non riguardo al metodo.

Eredità

Sposò Johanna Francina Mees nel 1878; ebbero quattro figli. Gli onori si accumularono costantemente — la Legion d'Onore nel 1894, il Pour le Mérite nel 1895, membro straniero della Royal Society nel 1897, dottorati honoris causa da Harvard e Yale nel 1901, Manchester nel 1903, Heidelberg nel 1908 e la Medaglia Helmholtz nell'anno della sua morte. Morì di tubercolosi a Steglitz, fuori Berlino, il 1° marzo 1911, all'età di cinquantotto anni.

Il suo nome sopravvive nel vocabolario di lavoro piuttosto che nei monumenti: l'equazione di van 't Hoff, il fattore di van 't Hoff, la regola di Le Bel-van 't Hoff. Un asteroide ha preso il suo nome nel 2021. Ogni formula strutturale disegnata con un cuneo e una linea tratteggiata discende da un opuscolo che un grande chimico pensava fosse stato scritto da un uomo che aveva perso la ragione.