야코뷔스 헨뤼퀴스 판트호프: 보이지 않는 것의 형태

1874년 가을, 박사 학위를 불과 3개월 앞둔 네덜란드의 한 학생이 탄소 원자의 네 결합이 정사면체의 꼭짓점을 향하고 있다는 주장을 담은 소논문을 발표했다. 당시 분자를 직접 본 사람은 아무도 없었고, 수십 년간 누구도 볼 수 없었다. 판트호프(Jacobus Henricus van 't Hoff)는 특정 물질들이 편광을 회전시키는 방식을 통해 이러한 형태를 추론해냈다. 그는 스물두 살이었고, 그의 추론은 옳았다. 독일의 한 저명한 화학자는 그를 향해 “페가수스에 올라탔다”고 비난하며 대응했다.

로테르담, 델프트, 그리고 바이런

그는 1852년 8월 30일 로테르담에서 의사인 야코뷔스 헨뤼퀴스 판트호프 시니어(Jacobus Henricus van 't Hoff Sr.)와 알리다 콜프(Alida Kolff) 사이의 일곱 자녀 중 셋째로 태어났다. 그는 일찍부터 과학에 관심을 보였지만, 학창 시절 읽었던 바이런(Byron)의 시와 철학에도 깊이 매료되었다. 그의 경력을 만든 자질은 실험실에서의 인내심보다는 오히려 시적 직관에 가까웠다는 점에서 이 사실은 기억할 만하다.

그는 1869년부터 1871년까지 델프트에서 화학 공학 학위를 취득했는데, 보통 3년이 걸리는 과정을 2년 만에 마쳤다. 그 후 라이덴에서 공부하고, 본(Bonn)에서 아우구스트 케쿨레(August Kekulé)를, 파리에서 아돌프 뷔르츠(Adolphe Wurtz)를 사사한 뒤, 1874년 위트레흐트에서 에두아르트 물더(Eduard Mulder) 지도하에 박사 학위를 마쳤다.

소논문

그가 도전한 문제는 오래되고 해결하기 어려운 것이었다. 특정 화합물은 편광을 회전시키고, 화학식은 동일하지만 성질은 다른 화합물이 존재했다. 평면적인 2차원 구조화학으로는 이를 설명할 수 없었다.

판트호프의 해답은 분자에 3차원을 부여하는 것이었다. 탄소의 네 결합이 정사면체의 꼭짓점을 향해 뻗어 있다면, 서로 다른 네 그룹이 결합된 탄소 원자는 서로 겹칠 수 없는 거울상인 두 가지 방식으로 배열될 수 있으며, 이 두 배열은 빛을 서로 반대 방향으로 회전시킬 것이다. 광학 활성과 이성질 현상이 단 하나의 기하학적 가정에서 도출되었다. 네덜란드어로 쓰인 이 소논문은 1874년 말에 발표되었고, 프랑스어 버전인 《공간 화학》(La chimie dans l'espace)은 1875년 5월에 출판되었다. 프랑스의 화학자 조제프 르 벨(Joseph Le Bel)도 동시에 독립적으로 같은 결론에 도달했다.

그가 묘사하는 대상을 볼 수 없던 학계 사람들을 설득하기 위해, 판트호프는 정사면체 분자의 3차원 종이 모형을 당시의 주요 화학자들에게 보냈다.

콜베의 페가수스

반응은 적대적이었다. 가장 유명한 비판은 헤르만 콜베(Hermann Kolbe)에게서 나왔는데, 그는 젊은이가 “원자가 그에게 어떻게 보이는지”를 선포하기 위해 “페가수스를 탔다”고 조롱했다. 이는 그를 매장시키려는 의도였으나, 실제로 원자가 그에게 그렇게 보였고 그것이 옳았음이 증명되면서 이 모욕은 시간이 흐른 뒤 의도치 않은 칭찬이 되었다.

이 이론이 존중받기까지는 약 6년이 걸렸다. 1880년경 요하네스 비슬리케누스(Johannes Wislicenus)와 빅토르 마이어(Viktor Meyer)가 지지를 표명하면서 입체화학은 논란거리가 아닌 정식 학문 분야로 자리 잡았다.

화학동역학

분자의 형태를 규명한 후 그는 분자의 작용 문제로 눈을 돌렸다. 여기서 그의 공헌은 단일한 통찰이라기보다는 한 분야를 다른 분야로 완전히 이식한 데 있었다. 《화학동역학 연구》(Études de dynamique chimique, 1884년)는 반응 차수를 결정하는 그래픽 방법을 제시하고 열역학 법칙을 화학 평형에 적용했다. 이는 물질이 결합하려는 신비한 경향인 ‘화학적 친화력’이라는 모호한 개념을 열역학 데이터로부터 계산 가능한 양으로 대체했다.

평형 상수와 온도 사이의 관계는 오늘날까지 ‘판트호프 방정식’으로 가르치고 있다. 1889년에는 스반테 아레니우스(Svante Arrhenius)의 반응 속도 방정식에 필요한 물리적 근거를 제공했다.

기체처럼 행동하는 용액

1886년 그는 당대 사람들에게 가장 큰 인상을 남긴 유사성을 증명했다. 농도가 매우 묽은 용액은 기체와 매우 유사한 수학적 법칙을 따르며, 이때 삼투압은 용기 안에서 기체 압력이 하는 역할을 수행한다는 것이다. 즉, 용해된 물질은 용매의 부피를 차지하는 기체처럼 취급될 수 있었다.

그 결과 새로운 학문 분야가 탄생했다. 그는 1887년 빌헬름 오스트발트(Wilhelm Ostwald)와 함께 《물리화학 잡지》(Zeitschrift für physikalische Chemie)를 창간하여 물리화학에 학술지와 정체성을 부여했으며, 아레니우스와 함께 전해질의 해리 현상을 연구했다. 물질을 연구하는 과학이었던 화학은 측정 가능한 양을 다루는 과학으로 탈바꿈했다.

베를린과 염(鹽)

그는 위트레흐트 수의과대학에서 강의를 시작으로 암스테르담 대학교에서 20년 가까이 화학, 광물학, 지질학 교수로 재직하며 학과장을 맡았다. 1896년 베를린으로 옮겨 프루시아 과학 아카데미에서 교육보다 연구에 집중할 수 있는 자리를 얻었다. 그곳에서 그는 용액의 열역학을 슈타스푸르트의 해양 염 퇴적물 연구에 적용했는데, 이는 프루시아 산업에 상당한 가치를 지닌 연구였다.

1901년 스웨덴 아카데미는 그에게 최초의 노벨 화학상을 수여하며 “화학동역학 및 용액의 삼투압 법칙 발견에 기여한 비범한 업적을 인정한다”고 밝혔다. 그는 이를 자신의 경력 정점으로 여겼다.

야코뷔스가 천재라 불리는 이유

그의 천재성은 증거에 의해 통제된 공간적 상상력에 있으며, 1874년의 소논문은 과학 역사상 가장 깔끔한 예시이다. 판트호프는 편광의 회전이라는 측정치를 취하고, 당대 어떤 도구로도 분해할 수 없었던 물체의 기하학적 구조를 추론해냈다. 그는 관찰된 것을 묘사한 것이 아니라, 데이터가 그렇게 나오려면 현실이 특정 모양을 가져야만 한다고 주장한 것이다. 이것이 오늘날까지 분자를 3차원으로 그리는 이유이다.

그의 두 번째 업적은 종류가 다르며 훨씬 더 큰 의미를 갖는다. 열역학을 화학에 통째로 도입하고 용해된 물질이 기체와 같은 법칙을 따른다는 것을 보여줌으로써 기술적인 과학을 정량적인 과학으로 바꾸었다. 두 분야에서 근본적인 공헌을 한 사람은 극히 드물다. 판트호프는 22세에 입체화학을, 30대에 물리화학을 창시했다.

물론 한계는 있다. 르 벨이 같은 해에 독립적으로 사면체 탄소 구조를 제안했다는 점은 그 아이디어가 당시 과학계에서 무르익은 상태였음을 시사한다. 1893년 왕립 학회(Royal Society)가 두 사람에게 데이비 메달(Davy Medal)을 공동 수여한 이유도 바로 여기에 있다. 그의 제안은 직접적인 증거 없이 비약한 것이었기에 학계는 6년간 이를 거부했다. 만약 기하학적 구조가 달랐다면 이 소논문은 그저 젊은이의 몽상으로 남았을 것이다. 또한 노벨상은 그의 가장 유명한 아이디어인 사면체 구조가 아닌 용액 연구로 주어졌다. 콜베의 ‘페가수스’ 비난은 목적지 면에서는 틀렸지만, 방법론에 대한 비판으로서는 완전히 틀린 것은 아니었다.

유산

그는 1878년 요한나 프랑시나 메스(Johanna Francina Mees)와 결혼하여 네 자녀를 두었다. 1894년 레지옹 도뇌르 훈장, 1895년 푸르 르 메리트 훈장, 1897년 왕립 학회 외국인 회원 선정, 1901년 하버드 및 예일 명예 박사 학위, 1903년 맨체스터, 1908년 하이델베르크 명예 박사 학위 등 영예가 이어졌으며, 그가 사망한 해에는 헬름홀츠 메달을 받았다. 그는 1911년 3월 1일 베를린 교외 슈테글리츠에서 58세를 일기로 결핵으로 사망했다.

그의 이름은 기념비보다는 실용적인 학술 용어로 남아 있다. 판트호프 방정식, 판트호프 인자, 르 벨-판트호프 법칙이 그것이다. 2021년에는 그의 이름을 딴 소행성이 명명되었다. 쐐기 모양과 점선으로 그려지는 모든 구조식은 한때 위대한 화학자조차 미친 사람의 짓이라 생각했던 한 젊은이의 소논문에서 비롯되었다.