ЯКОБ ВАНТ-ГОФФ
ЯКОБ ВАНТ-ГОФФ
(1852- 1911)
Вант- Гофф получил первую Нобелевскую премию по химии за открытие законов химической динамики и осмотического давления. Этой высокой наградой была отмечена важность молодой области науки -физической химии.
Ученый, пользовавшийся всеобщим уважением, член пятидесяти двух научных обществ и академий, почетный доктор многих высших учебных заведений, Вант-Гофф оставил после себя ряд основополагающих теорий, которые и в наши дни имеют непреходящее значение для химии. Представления, идеи и взгляды ученого сыграли большую роль в разработке основ современной минералогии, а также для развития биологии. В историю науки Вант-Гофф вошел как один из основателей стереохимии, учения о химическом равновесии и химической кинетике, осмотической теории растворов и химической геологии.
Якоб Хенрик Вант-Гофф родился 30 августа 1852 года в Голландии, в Роттердаме, в семье врача. Члены этого семейства неоднократно выбирались бургомистрами, занимали и другие выборные должности в городском самоуправлении.
Уже в начальной школе учителя заметили у мальчика любовь к музыке и поэзии. В дальнейшем он проявил замечательные способности к точным естественным наукам. По окончании школы в 1869 году Якоб поступил в политехникум в Дельфте. И здесь он по уровню знаний значительно превосходил своих сокурсников и потому в 1871 году без вступительного экзамена был принят в Лейденский университет. Позже в этом университете Вант-Гофф выдержал кандидатский экзамен.
Но в Лейдене ему не понравилось, и он уехал в Бонн к знаменитому химику Кекуле. После открытия молодым ученым пропионовой кислоты Кекуле порекомендовал своему ученику поехать в Париж к профессору Вюрцу, специалисту по органическому синтезу.
В Париже Якоб сблизился с французским химиком-технологом Жозефом Ашилем Ле Белем. Оба с интересом следили за исследованиями в области оптической изомерии, которые проводил Пастер.
В декабре 1874 года Вант-Гофф защитил докторскую диссертацию в университете Утрехта и в 1876 году начал преподавательскую деятельность в местной ветеринарной школе. Осенью 1874 года он опубликовал в Утрехте небольшую работу с длинным заглавием: «Предложение применять в пространстве современные структурные химические формулы вместе с примечаниями об отношении между оптической вращательной способностью и химической конституцией органических соединений».
Вант- Гофф ввел в науку положения, позволившие с новых позиций рассматривать строение химических соединений. Представление, согласно которому в молекуле метана четыре атома водорода равномерно распределены в пространстве и поэтому можно говорить о тетраэдрической форме молекулы, возвращает нас к взглядам Кекуле. В предложенной Вант-Гоффом модели четыре валентности атома углерода направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится этот атом. Используя такую модель, Вант-Гофф предположил, что за счет связи атомов или атомных групп с углеродом тетраэдр может быть несимметричным, и высказал представление об асимметрическом атоме углерода. Он писал: «В случае, когда четыре сродства атома углерода насыщены четырьмя различными одновалентными группами, можно получить два и только два различных тетраэдра, которые представляют собой зеркальное отражение один другого и мысленно никак не могут быть совмещены, то есть мы имеем дело с двумя структурными формулами в пространстве».
Новая статья Вант-Гоффа «Химия в пространстве» (1875), где он высказал все эти соображения, послужила началом нового этапа в развитии органической химии. Вскоре он получил письмо от профессора Вислиценуса, одного из известнейших специалистов в этой области: «Я хотел бы получить согласие на перевод Вашей статьи на немецкий язык моим ассистентом доктором Германом. Ваша теоретическая разработка доставила мне большую радость. Я вижу в ней не только чрезвычайно остроумную попытку объяснить до сих пор непонятные факты, но верю также, что она в нашей науке… приобретет эпохальное значение».
Перевод статьи вышел в свет в 1876 году. К этому времени Вант-Гофф получил место ассистента физики в Ветеринарном институте в Утрехте.
Большая роль в популяризации новых взглядов Вант-Гоффа невольно досталась профессору Г. Кольбе из Лейпцига. В резкой форме он высказал свои замечания по поводу статьи голландского ученого: «Какой-то доктор Я.Г. Вант-Гофф из Ветеринарного института в Утрехте, видимо, не имеет вкуса к точным химическим исследованиям. Ему значительно удобнее воссесть на Пегаса (вероятно, взятого напрокат в Ветеринарном институте) и провозгласить в своей "Химии в пространстве", что, как ему показалось во время смелого полета к химическому Парнасу, атомы расположены в межпланетном пространстве». Естественно, каждого, кто прочел эту резкую отповедь, заинтересовала теория Вант-Гоффа. Так началось ее быстрое распространение в научном мире. Теперь Вант-Гофф мог бы повторить слова своего кумира Байрона: «Однажды утром я проснулся знаменитостью». Через несколько дней после опубликования статьи Кольбе Вант-Гоффу была предложена должность преподавателя в Амстердамском университете, а с 1878 года он стал профессором химии.
С 1877 по 1896 год Вант-Гофф был профессором химии, минералогии и геологии в незадолго до того основанном Амстердамском университете. Всегда рядом с ним была его жена Женни Вант-Гофф-Меес. Она успевала заниматься не только домом и детьми, но и сумела создать своему мужу настоящую творческую атмосферу.
Интересы Вант-Гоффа к поискам наиболее общих закономерностей вновь проявились в его большой работе «Воззрения на органическую химию». Но вскоре ученый перешел к изучению химической динамики. Свои взгляды по этому вопросу он изложил в книге «Очерки по химической динамике» (1884).
Вант- Гофф разработал учение о скорости реакций и тем самым создал основания химической кинетики. Он определял скорость реакции как закономерное, но далеко не всегда равномерное изменение концентрации реагирующих веществ в единицу времени. Ему удалось эту закономерность сформулировать в общем математическом виде. Установление зависимости скорости реакции от числа взаимодействующих молекул, а также тесно связанные с этим новые представления Вант-Гоффа о природе химического равновесия существенно способствовали значительному прогрессу теоретической химии.
При этом было выяснено, что химическое равновесие, рассматриваемое Вант-Гоффом как результат двух противоположно направленных реакций, идущих с одинаковой скоростью (обратимый процесс), зависит от температуры. Представления о химическом равновесии Вант-Гофф связал с уже известными в то время двумя началами термодинамики. Важнейшим результатом этой работы был вывод Вант-Гоффом математической формулы, в которой была отражена взаимосвязь температуры и теплоты реакции с константой равновесия. Эта закономерность сейчас известна как выведенное Вант-Гоффом уравнение изохоры реакции.
Еще одним крупным вкладом Вант-Гоффа в теоретическую химию во время амстердамского периода его деятельности было открытие аналогии осмотического и газового давления. На основании сформулированных Раулем эмпирических закономерностей о повышении точки кипения и понижении точки замерзания растворов Вант-Гофф в 1885 году разработал осмотическую теорию растворов.
К. Манолов рассказывает в своей книге, как ученый пришел к этому открытию: «Почему бы не представить систему в осмометре "вода - полупроницаемая перегородка - раствор" в виде цилиндра с поршнем? Раствор находится на дне цилиндра, поршень представляет собой перегородку, а над ним - вода. Это же основной метод термодинамики. Принципы газовой термодинамики применимы также к свойствам разбавленных растворов».
Вант- Гофф нарисовал цилиндр с поршнем, в пространстве под поршнем он написал «Раствор», а над поршнем -«Вода». Стрелки, направленные из раствора к воде, показывали, что в растворе существует давление, которое стремится поднять поршень вверх.
«Сначала надо рассчитать, какая работа требуется, чтобы поршень под действием осмотического давления передвинулся вверх, но можно и наоборот - выяснить, какая работа необходима, чтобы вернуть поршень вниз, преодолев осмотическое давление».
Вант- Гофф провел математические расчеты, заполняя лист формулами, и вот он, конечный результат!
«Невероятно! Зависимость точно такая же, как и для газов! Выражение абсолютно идентично уравнению Клапейрона-Клаузиуса!» Вант-Гофф взял лист и повторил все расчеты. «Тот же результат! Законы осмотического давления идентичны газовым законам. Если и константа имеет то же самое значение, тогда можно рассматривать молекулы разбавленного вещества как молекулы газа, представив себе, что растворитель удален из сосуда. Константу можно вычислить по данным Пфеффера». Он снова взял тетрадь, и перо быстро заскользило по бумаге. Для сахарных растворов константа имела такое же значение, что и газовая постоянная. Аналогия была полной».
Вант- Гофф установил, что растворенные молекулы производят осмотическое давление, равное тому давлению, которое оказывали бы те же молекулы, если бы они в газообразном состоянии заняли объем, равный объему раствора. Это фундаментальное открытие показало единство законов физики и химии (хотя причины возникновения осмотического давления не были вскрыты).
Вант- Гофф оказал также большое влияние на дальнейшее развитие теории диссоциации, изучив в своей работе «Химическое равновесие в системах газов и разбавленных растворов» (1886).
В марте 1896 года Вант-Гофф покинул Амстердам, переехав в Берлин по приглашению Прусской академии наук. В соответствии с предложением Макса Планка и Эмиля Фишера для Вант-Гоффа была создана специальная исследовательская лаборатория в Академии наук, а сам ученый был сразу же избран ее действительным членом и почетным профессором Берлинского университета.
В Германии он провел обширные экспериментальные и теоретические работы, которые помогли установить условия образования месторождений калийных солей и создать рациональную технологию их переработки.
Ученый был в Америке, когда узнал, что получил первую Нобелевскую премию по химии «в знак признания огромной важности открытия им законов химической динамики и осмотического давления в растворах». 10 декабря 1901 года в Стокгольме собрались выдающиеся ученые мира. Торжественная церемония в празднично освещенном зале Шведской Академии наук была действительно незабываема.
Вечером на банкете Вант-Гофф получил возможность выразить свою сердечную благодарность за большую честь, которой его удостоили, Комитету по Нобелевским премиям в области химии и лично его председателю, профессору П. Клеве.
Представляя ученого от имени Шведской королевской академии наук, С.Т. Однер назвал ученого основателем стереохимии и одним из создателей учения о химической динамике, а также подчеркнул, что исследования Вант-Гоффа «внесли значительный вклад в замечательные достижения физической химии».
В последующие дни, согласно требованиям Нобелевского комитета, награжденные должны были выступить с сообщениями о научных достижениях, за которые им была присуждена премия. Вант-Гофф в своей лекции говорил о теории растворов.
Ученый продолжал работать, но давняя тяжелая болезнь помешала Вант-Гоффу глубже изучить синтетическое действие ферментов в живом растительном организме.
Умер Вант-Гофф 1 марта 1911 года в Берлине.