Якобс Хендрик Вант-Гофф: форма невидимого

Осенью 1874 года голландский студент, которому до получения докторской степени оставалось три месяца, опубликовал брошюру, в которой утверждалось, что четыре связи атома углерода направлены к вершинам тетраэдра. Никто никогда не видел молекулу; и никто не увидит ее еще десятилетиями. Вант-Гофф (Jacobus Henricus van 't Hoff) вывел эту форму, исходя из того, как определенные вещества вращают луч поляризованного света. Ему было двадцать два года, и он был прав. Один из самых выдающихся химиков Германии ответил на это обвинением в том, что он «оседлал Пегаса».

Роттердам, Делфт и Байрон

Он родился 30 августа 1852 года в Роттердаме, будучи третьим из семи детей врача Якобса Хендрика Вант-Гоффа-старшего (Jacobus Henricus van 't Hoff Sr.) и Алиды Кольф (Alida Kolff). Наука интересовала его с ранних лет, как и Байрон (Byron), чьи стихи и философию он серьезно читал еще школьником — деталь, которую стоит запомнить, потому что качество, сделавшее его карьеру, было ближе к поэтическому, чем к лабораторному терпению.

В период с 1869 по 1871 год он получил степень инженера-химика в Делфте, закончив обучение за два года вместо обычных трех, затем учился в Лейдене, в Бонне под руководством Августа Кекуле (August Kekulé) и в Париже под руководством Адольфа Вюрца (Adolphe Wurtz), прежде чем получить докторскую степень в Утрехте в 1874 году под руководством Эдуарда Мулдера (Eduard Mulder).

Брошюра

Проблема, за которую он взялся, была старой и трудноразрешимой. Некоторые соединения вращали поляризованный свет, а некоторые соединения с идентичными формулами вели себя по-разному. Ничто в плоской, двухмерной структурной химии не объясняло, почему это происходит.

Ответ Вант-Гоффа заключался в том, чтобы придать молекулам третье измерение. Если четыре связи углерода направлены к вершинам правильного тетраэдра, то атом углерода, несущий четыре разные группы, может быть расположен двумя способами, которые являются зеркальными отражениями и не могут быть наложены друг на друга — и эти два расположения будут вращать свет в противоположных направлениях. Оптическая активность и изомерия вытекали из одного геометрического предположения. Брошюра на голландском языке появилась в конце 1874 года, французская версия, Химия в пространстве (La chimie dans l'espace), — в мае 1875 года. Французский химик Жозеф Ле Бель (Joseph Le Bel) независимо и в то же время пришел к такому же выводу.

Чтобы убедить профессию, которая не могла увидеть то, что он описывал, Вант-Гофф разослал ведущим химикам того времени трехмерные бумажные модели тетраэдрических молекул.

Пегас Кольбе

Прием был враждебным, а самая цитируемая атака исходила от Германа Кольбе (Hermann Kolbe), который насмехался над молодым человеком за то, что тот «оседлал Пегаса», чтобы провозгласить, «как атомы представлялись ему». Это было задумано как уничтожение. Поскольку атомы действительно представлялись ему именно так, и правильно, оскорбление со временем превратилось в нечаянный комплимент.

Теория ждала признания около шести лет. Около 1880 года Йоханнес Вислиценус (Johannes Wislicenus) и Виктор Мейер (Viktor Meyer) выступили в ее поддержку, и стереохимия стала областью науки, а не скандалом.

Химическая динамика

Установив форму молекул, он перешел к вопросу о том, что они делают, и здесь его вклад заключался не столько в одном озарении, сколько в полном заимствовании одной дисциплины другой. Очерки химической динамики (Études de dynamique chimique, 1884) излагали графические методы определения порядка реакции и применяли законы термодинамики к химическому равновесию. Это заменило смутное понятие химического сродства — загадочной склонности веществ к соединению — величиной, которую можно было рассчитать по термодинамическим данным.

Связь между константой равновесия и температурой, которая возникла, до сих пор преподается как уравнение Вант-Гоффа. В 1889 году он предоставил физическое обоснование, которое легло в основу уравнения Сванте Аррениуса (Svante Arrhenius) для скоростей реакций.

Растворы, ведущие себя как газы

В 1886 году он продемонстрировал аналогию, которая больше всего впечатлила его современников: сильно разбавленные растворы подчиняются математическим законам, очень напоминающим те, что управляют газами, где осмотическое давление играет ту же роль, что и давление газа в контейнере. Другими словами, растворенное вещество можно рассматривать как газ, занимающий объем растворителя.

Результатом стала целая дисциплина. Вместе с Вильгельмом Оствальдом (Wilhelm Ostwald) в 1887 году он основал Журнал физической химии (Zeitschrift für physikalische Chemie), дав физической химии журнал и, следовательно, идентичность, а также работал с Аррениусом над диссоциацией электролитов. Химия, которая была наукой о веществах, стала наукой об измеримых величинах.

Берлин и соль

Он читал лекции сначала в Ветеринарном колледже в Утрехте, затем почти два десятилетия занимал кафедру в Амстердамском университете в качестве профессора химии, минералогии и геологии, в конечном итоге возглавив кафедру. В 1896 году он переехал в Берлин, заняв должность в Прусской академии наук, созданную для того, чтобы дать ему время на исследования, а не на преподавание. Там он применил свою термодинамику растворов к океаническим соляным отложениям в Штасфурте — работе, имеющей значительную ценность для прусской промышленности.

В 1901 году Шведская академия присудила ему самую первую Нобелевскую премию по химии «в знак признания исключительных услуг, оказанных им открытием законов химической динамики и осмотического давления в растворах». Он считал это вершиной своей карьеры.

Почему Якобса называют гением

Талант, о котором идет речь, — это пространственное воображение, дисциплинированное доказательствами, и брошюра 1874 года — столь же чистый пример, какой может предложить история науки. Вант-Гофф взял измерение — вращение поляризованного света — и вывел из него геометрию объекта, который не мог разрешить ни один инструмент его эпохи. Он не описывал что-то наблюдаемое; он доказывал, что реальность должна иметь определенную форму, чтобы числа сошлись так, как они сошлись. Именно поэтому молекулы с тех пор рисуют в трех измерениях.

Второе достижение отличается по своей природе и, возможно, является более значительным. Импорт термодинамики в химию в полном объеме и доказательство того, что растворенные вещества подчиняются газоподобным законам, превратили описательную науку в количественную. Очень немногие люди вносят фундаментальный вклад в две области; Вант-Гофф основал стереохимию в двадцать два года и физическую химию в тридцатилетнем возрасте.

Оговорки реальны. Ле Бель независимо пришел к тетраэдрическому углероду в том же году, что предполагает, что идея была созревшей, а не недостижимой — именно по этой причине Королевское общество (Royal Society) в 1893 году разделило между ними медаль Дэви (Davy Medal). Предложение было прыжком без прямых доказательств, и профессия отвергала его в течение шести лет; если бы геометрия была иной, брошюру сегодня читали бы как размышления молодого человека. И Нобелевская премия была присуждена ему не за тетраэдр, его самую известную идею, а за работу с растворами. Обвинение Кольбе в «езде на Пегасе» было ошибочным в отношении пункта назначения, а не метода.

Наследие

Он женился на Йоханне Франсине Мес (Johanna Francina Mees) в 1878 году; у них было четверо детей. Почести накапливались постоянно — орден Почетного легиона в 1894 году, орден «За заслуги» (Pour le Mérite) в 1895 году, иностранное членство в Королевском обществе в 1897 году, почетные докторские степени Гарварда и Йеля в 1901 году, Манчестера в 1903 году, Гейдельберга в 1908 году и медаль Гельмгольца (Helmholtz Medal) в год его смерти. Он умер от туберкулеза в Штеглице, под Берлином, 1 марта 1911 года в возрасте пятидесяти восьми лет.

Его имя живет в рабочем словаре, а не в памятниках: уравнение Вант-Гоффа, коэффициент Вант-Гоффа, правило Ле Беля–Вант-Гоффа. В 2021 году в его честь был назван астероид. Каждая структурная формула, нарисованная клином и пунктирной линией, восходит к брошюре, которую великий химик счел написанной человеком, потерявшим рассудок.