Теория вант гоффа. Вант-Гофф —первый Нобелевский лауреат по химии. Смотреть что такое "Вант-Гофф" в других словарях

Первую Нобелевскую премию по химии получил в 1901 г. Якоб Генрих Вант-Гофф за открытие законов химической динамики и осмотического давления. Этой высокой наградой была отмечена важность молодой области науки - физической химии.

Уже в первых работах Вант-Гофф привел веские доказательства положения: только применение физических и математических методов может обеспечить прогресс в фундаментальных и прикладных исследованиях по химии. Возникновение новых областей знания, таких, как стереохимия, стало возможно только в тесной связи с другими областями естествознания. Вант-Гофф стал основателем стереохимии. Он выступил с новыми воззрениями против всех неверных взглядов ярых агностиков и узколобых эмпириков и ввел в химию представления о пространственном строении веществ.

Вант-Гофф родился 30 августа 1852 г. в Роттердаме в семье врача. Роду Вант-Гоффа на протяжении ряда поколений принадлежало поместье вблизи голландского города Дортрехта. Члены этого семейства в течение многих десятилетий были бургомистрами или занимали другие выборные должности в городском самоуправлении.

Уже в начальной школе учителя заметили у юного Вант-Гоффа любовь к музыке и поэзии. В дальнейшем он проявил замечательные способности к точным естественным наукам. По окончании школы в 1869 г. будущий ученый поступил в политехникум в Дельфте. В годы учения Вант-Гофф особенно заинтересовался дифференциальным и интегральным исчислениями, которые в то время привлекали пристальное внимание многих.

Затем Вант-Гофф увлекся философией. Он основательно изучил "Курс позитивной философии" О. Конта, в котором обратил внимание на путь, приводящий к рациональному исследования) в химии. Вант-Гофф понял высказывание Конта как способ логического совершенствования химических знаний. Но Вант-Гофф не воспринял ни враждебности Конта к теории, ни его ограниченной механистической методологии. Напротив, Вант-Гофф признавал необходимость единства теории и практики; он никогда не придерживался односторонней эмпирической точки зрения, а позже защищал свои материалистические представления от "энергетизма" Оствальда.

В политехникуме Дельфта Вант-Гофф по уровню знаний значительно превосходил своих сокурсников и потому в 1871 г. без вступительного экзамена был принят в Лейденский университет. Позже в этом университете Вант-Гофф выдержал кандидатский экзамен. Помимо интереса к математике в нем опять вспыхнула "старая любовь к химии", и Вант-Гофф продолжил свое химическое образование в наиболее известных тогда центрах этой науки - в лабораториях Кекуле в Бонне и Вюрца в Париже. В это время Кекуле - автор теории строения бензола и создатель представлений о порядке расположения атомов в молекулах - считался одним из ведущих специалистов в области фундаментальных проблем химии. Восхищение личностью этого ученого и его работами вызвало у Вант-Гоффа интерес к изучению строения молекул. Но Вант-Гофф недолго пробыл в Бонне. Работая у Вюрца в Париже, он познакомился с Ле Белем, который одновременно с Вант-Гоффом и независимо от него создал известную тетраэдрическую модель углеродного атома на основе представлений Кекуле о пространственном расположении атомов в молекуле.

В декабре 1874 г. Вант-Гофф защитил докторскую диссертацию в университете Утрехта и в 1876 г. начал преподавательскую деятельность в местной ветеринарной школе. Осенью 1874 г, 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"37. Ни эта работа, опубликованная на голландском языке, ни ее перевод на французский язык (Роттердам, 1875) не привлекли внимания химиков. Подлинная известность пришла после того, как Вислиценус - решительный сторонник новой науки стереохимии 38 - познакомил ученых в 1877 г. с немецким переводом этой сильно переработанной статьи Вант-Гоффа, названной теперь "Расположение атомов в пространстве". Этот перевод был опубликован с предисловием Вислиценуса 39 .

Вант-Гофф ввел в науку положения, позволившие с новых позиций рассматривать строение химических соединений. Представление, согласно которому в молекуле метана СН 4 четыре атома водорода равномерно распределены в пространстве и поэтому можно говорить о тетраэдрической форме молекулы, возвращает нас к взглядам Кекуле 40 . Они нашли отражение в предложенной Вант-Гоффом модели: четыре валентности атома углерода направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится этот атом 41 . 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" 42 .

Явления оптической изомерии нельзя было понять, используя существовавшие в то время структурные формулы. Замечательным достижением Вант-Гоффа явилось установление связи между наличием в соединении асимметрического атома углерода и оптической изомерией вещества. Голландский ученый считал бесспорным, что оба оптических изомера соответствуют двум молекулярным моделям с зеркальной симметрией по отношению к асимметрическому атому углерода. Следовательно, каждое оптически активное соединение содержит асимметрический атом углерода. Это предположение легко можно было проверить экспериментально, Вант-Гофф подтвердил свою гипотезу о существовании пространственных структурных формул при экспериментальном изучении многочисленных оптически активных соединений.

В этой работе Вант-Гофф объяснил также другой вид изомерии, которую Вислиценус назвал "геометрической изомерией". Такова, например, изомерия кислот фумаровой (транс -бутендикарбоновой) и малеиновой (цис -бутендикарбоновой). Их структурные формулы одинаковы, а свойства различны. Для объяснения этого явления Вант-Гофф опять использовал тетраэдрическую модель атома углерода, связав тем самым пространственное строение и химические свойства веществ. Так было вновь доказана важное значение мысленных моделей в химии.

Несмотря на изучение философии Конта, Вант-Гофф был материалистом и стихийным диалектиком. Своими выступлениями и результатами исследований Вант-Гофф последовательно защищал атомно-молекулярное учение от нападок философов-идеалистов, а в 90-х годах и от сторонников энергетизма Оствальда. Наиболее сильный удар идеализму нанесло открытие Вант-Гоффом стереохимии. Еще в 1871 г. Эрнст Мах представил многочисленные и, по его мнению, неопровержимые доводы, что "химические элементы не могут существовать в пространстве из трех змерений". Вант-Гофф выступил как против этих идеалистических утверждений, так и против взглядов Кольбе, высказанных в рецензии на работы Вант-Гоффа.

Герман Кольбе (1818-1884); автор многочисленных статей в издаваемом под его редакцией "Журнале практической химии"; в которых он выступал против стереохимических представлений Вант-Гоффа

В 1877 г. вскоре после выхода немецкого перевода статьи Вант-Гоффа Кольбе в грубой полемической форме писал: "Некоему доктору Я. Г. Вант-Гоффу, занимающему должность в ветеринарной школе Утрехта, очевидно не по вкусу точные химические исследования. Он счел более приятным сесть на Пегаса (вероятно взятого напрокат из ветеринарной школы) и поведать миру то, что узрел с химического Парнаса в своем смелом полете-расположение атомов в мировом пространстве" 43 . В другом месте статьи Кольбе читаем: "Примечательно для нашего времени, бедного критиками и ненавидящего критику, что два почти неизвестных химика, один из которых работает в ветеринарной школе, а другой - в сельскохозяйственном институте 44 , с уверенностью обсуждают одну из наиболее сложных проблем химии, которую, пожалуй, никому не решить: вопрос о расположении атомов в пространстве - и объяснения даются с такой дерзостью, которая просто обескураживает подлинных естествоиспытателей" .

Неверие в возможность познания мира, презрение к теоретическому мышлению, диалектике и материализму привели Кольбе к борьбе против передовых идей в естествознании. Стереохимические воззрения Вант-Гоффа постепенно получили подтверждение и применение не только в органической химии 45 , но спустя 20 лет и в неорганической химии 46 . Соотношения, установленные для асимметрического атома углерода, были успешно использованы в 1890 г. Альфредом Вернером для объяснения случаев изомерии у асимметрического атома азота.

С 1877 по 1896 г. Вант-Гофф был профессором химии, минералогии и геологии в незадолго до того основанном Амстердамском университете. Там он выполнил многие ценные теоретические работы. При этом Вант-Гоффу удалось счастливо сочетать смелость в выдвижении идей и тщательность их разработки. Работы Вант-Гоффа показали, что изучение основополагающих химических закономерностей - процесс, требующий от исследователя не только настойчивости, но и фантазии. В лекции, прочитанной Вант-Гоффом при вступлении в должность профессора Амстердамского университета, ученый говорил, что без "фантазии в науке" не может обойтись ни подготовка эксперимента, ни объяснение полученных результатов. Для изучения этого вопроса Вант-Гофф прочитал более двухсот жизнеописаний математиков И естествоиспытателей. Такой стиль работы восхищал учеников и друзей Вант-Гоффа.

Интересы Вант-Гоффа к поискам наиболее общих закономерностей вновь проявились в его большой работе "Воззрения на органическую химию" (т. I-II, 1878-1881). Исходя из представлений об асимметрическом атоме углерода, он хотел в этой работе раскрыть наиболее общие закономерности соотношений между строением и химическими свойствами органических соединений. Однако решению этих вопросов в то время мешало явно недостаточное знание строения атомов и молекул. Даже в наши ни многие проблемы, важные для теоретических основ органической химии, пока не решены.

Вант-Гофф вскоре перешел к изучению химической динамики; позднее он изложил свои взгляды по этому вопросу в книге "Очерки по химической динамике"47 (1884 г.). Голландский физикохимик 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) 48, 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 отражена взаимосвязь температуры и теплоты реакции с константой равновесия. Эта закономерность сейчас известна как выведенное Вант-Гоффом уравнение изохоры реакции 49 .

В разработке учения о химическом равновесии на термодинамической основе значительную роль сыграли исследования Ле-Шателье, Горстмана и Гиббса.

Одним из наиболее значительных открытий этого времени было установление природы движущей силы реакции - химического сродства. Это понятие не было точно определено 50 . Томсен в 1854 г. и Бертло в 1868 г. пытались сделать это, но успеха не добились 51 .

Вант-Гофф в 1885 г. высказал мысль, что мерой сродства может служить работа реакции, и вывел для нее математическое выражение 52 . В него, однако, не входила константа равновесия из закона действия масс, сформулированного в общем виде в 1867 г. Гульдбергом и Вааге на основе представления о вероятности столкновения друг с другом реагирующих молекул. В 1885 г. Вант-Гоффу удалось вывести этот закон термодинамически, что сразу увеличило возможность его практического применения.

Последним 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 понижения точки замерзания растворов Вант-Гофф в 1885 г. разработал осмотическую теорию растворов. Он показал аналогию поведения растворенных веществ и газов и установил, что уравнение состояния идеальных газов PV = RT при его использовании для описания осмотического давления в растворах имеет вид PV = iRT (i > 1 - коэффициент, характеризующий отклонение поведения некоторых веществ) 53 , Осмотическое давление растворов было впервые измерено в 1877 г. ботаником Пфеффером, который пользовался искусственно приготовленными полупроницаемыми перепонками 54 . Вант-Гофф смог понять, что это явление характерно вообще для химических процессов. 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. Такое объяснение было дано найденным Пфеффером высоким значениям осмотического давления 55 . 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" (опубликована в Стокгольме на французском языке в 1886 г.56) природу зависимости между понижением температуры замерзания растворителя, давлением пара раствора и осмотическим давлением солей, кислот и оснований.

Совместно с Вильгельмом Оствальдом Вант-Гофф стал издавать с 1887 г. Журнал физической химии. В первом выпуске этого журнала кроме статьи Вант-Гоффа с изложением осмотической теории растворов была опубликована также работа Сванте Аррениуса, в которой подтверждались и развивались взгляды голландского ученого.

В 1890 г. Вант-Гофф сформулировал понятие о твердых растворах 57 .

В марте 1896 г. Вант-Гофф покинул Амстердам, переехав Берлин по приглашению Прусской Академии наук. В соответчик 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 Берлине он проводил обширные экспериментальные и теоретические работы, которые помогли установить условия образования месторождений калийных солей и создать рациональную технологию переработки таких веществ. Результаты этих исследований (проводившихся с 1897 по 1903 г.) были опубликованы в двух выпусках (1905 и 1909 гг.) под заглавием "К образованию океанических соляных месторождений" 58 .

Давняя тяжелая болезнь Вант-Гоффа помешала ему глубже изучить синтетическое действие ферментов в живом растительном организме. Сделанный ученым в 1900 г. прогноз "химик дойдет своими синтезами до клетки, которая как органическая материя сейчас изучается биологами" блестяще подтвердился в наши дни. Именно эта задача встала перед специалистами в новой области исследований, которую разрабатывают совместно химики и биологи.

Ученый, пользовавшийся всеобщим уважением, член пятидесяти двух научных обществ и академий 59 , первый лауреат Нобелевской премии по химии (1901 г.), кавалер медалей Дэви, Гельмгольца и других, прусского ордена "За заслуги в науках и искусствах", 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 Вант-Гоффа 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 60 .

Химик Якоб Хендрик Вант-Гофф был из числа тех ученых, для которых наука была настоящей страстью и смыслом жизни. Еще в раннем детстве ощутив свое истинное призвание, он не отступался от намеченного пути ни на шаг, без устали работая, совершенствуя себя и как ученый, и как личность. Вершиной признания его трудов на научном поприще стало получение Нобелевской премии, а также заслуженное почитание в научном мире.

Вант-Гофф считается одной из самых значительных фигур, повлиявших на развитие и становление химии как науки.

Юные годы Вант-Гоффа

Вант-Гофф родился в почитаемой и интеллигентной голландской семье, в которой, однако, его намерения стать ученым не слишком приветствовались. Родным городом будущего химика стал Роттердам, в котором 30 августа 1852 года он родился. Семья была большой. Якоб был третьим ребенком, после него родилось еще четверо. Отец Якоба был довольно успешным практикующим врачом, при этом имел очень интересное увлечение - слыл тонким ценителем и знатоком творчества Шекспира. Поэтому в доме традиционно любили литературу, эту любовь впитал в себя и подрастающий Якоб. Очень большое влияние на него, в частности, оказало творчество Байрона.

Первым учебным заведением Якоба стала городская средняя школа в Роттердаме. Учителя сразу заметили незаурядные способности Якоба к освоению точных наук, а также страстную любовь к поэзии.

Родители, также видя одаренность сына, мечтали о его блестящей карьере как инженера. Когда Якоб начал проявлять заинтересованность химическими опытами и наметил для себя будущее ученого, его родные отнеслись к такому рвению довольно прохладно, считая научную карьеру не слишком перспективной. Поэтому, вопреки желанию сына, родители настояли на его поступлении в Политехническую школу, расположенную в Дельфте.

Талантливому юноше надо отдать должное, ведь не питая особого пристрастия к освоению инженерной профессии, он смог стать лучшим выпускником школы на курсе. Это позволило Якобу в 1871 году поступить в престижный Лейденский университет, не сдавая вступительных экзаменов. Но, проучившись здесь на естественно-математическом факультете, Якоб понял, что изучение математики - не его путь. Поэтому по прошествии всего одного года обучения Вант-Гофф принимает решение перевестись в университет в Бонне, чтобы изучать столь любимую им химию. Руководителем молодого студента стал талантливый и уже сделавший себе имя ученый Фридрих Кекуле.

Начало научной карьеры

Два года, проведенные в Бонне в научных изысканиях под руководством Кекуле, принесли молодому химику Якобу Вант-Гоффу первое значительное достижение - им была открыта пропионовая кислота, которую сейчас используют для производства некоторых лекарственных препаратов и гербицидов. Видя в Вант-Гоффе перспективного ученого, Кекуле советует ему продолжить свою научную деятельность уже в Париже, под началом профессора Шарля Адольфа Вюрца, известного специалиста в области органического синтеза.

Результатом работы в Париже стало написание докторской диссертации, которую Вант-Гофф успешно защитил в университете города Утрехта, став в возрасте 22-х лет доктором наук.

Большой резонанс в научном мире того времени произвела написанная Вант-Гоффом статья, в которой он объяснял открытое еще в начале 19 века явление изменения направленности движения светового луча при прохождении через некоторые химические вещества, имеющие форму кристаллов. По мнению Вант-Гоффа, такое изменение потока света в молекуле вызвано появлением особых изомеров, которые являются зеркальными по отношению друг к другу. Как это часто случается в научном мире, почти одновременно с Вант-Гоффом такую теорию предложил и его коллега Ля Бель, при этом к одинаковым выводам оба ученых пришли, работая независимо друг от друга. Некоторым химикам такая теория показалась почти что смехотворной и оторванной от реальности, но, несмотря на это, в итоге именно она послужила одной из основ для новой науки стереохимии, областью изучения которой является пространственное строение молекул.

Преподавательская деятельность и дальнейшая научная работа

Несмотря на очень незаурядные способности и нестандартный подход к исследованиям, карьера Вант-Гоффа как ученого-химика развивалась не слишком стремительно. Некоторое время основным источником его дохода были частные уроки физики и химии, что никак не способствовало процветанию Вант-Гоффа как серьезного научного деятеля. Позже, в том же Утрехте, он получает приглашение на должность преподавателя физики в школе, а по истечении года он занимает место лектора в университете Амстердама, немного позже становится в нем профессором. Работе здесь он посвятил много лет своей жизни, регулярно читая лекции и проводя исследования.

Надо сказать, что успеху и достижениям Вант-Гоффа очень поспособствовали его основательные профессиональные знания в области математики, которыми располагал далеко не каждый химик. Это позволяло ученому с новой стороны подходить к решению многих задач, в итоге достигнув столь значительных высот в научной деятельности. Присужденная ему в 1901 году Нобелевская премия была результатом признания неоценимой важности его работы в 80-х годах 19 века в области химической динамики, на тему которой Вант-Гофф создал один из самых знаменитых своих трудов «Очерки по химической динамике».

В конце 80-х годов Вант-Гофф стал одним из основателей «Журнала физической химии». В это время уже известный ученый был желаемой кандидатурой на профессорские посты в разных университетах, в частности, он получал предложение стать профессором процветающего университета Лейпцига.

Однако Вант-Гофф не спешил с решением, поскольку руководство университета в Амстердаме в то время планировало строительство новой химической лаборатории. Однако вскоре ученый решает все-таки принять одно из предложений, в итоге переехав в Берлин, на работу в престижный и известный университет столицы Германии. Здесь Вант-Гофф получил в полное распоряжение отличное лабораторное оборудование и смог беспрепятственно и всецело отдаться любимой работе.

Областью научных исследований именитого голландца в это время была физическая химия, занимался он также и работой по изучению ферментов. Результаты всех его трудов сильно повлияли на становление химии как науки, а полученная Нобелевская премия была первой, врученной химику.

Семья

Еще в 1878 году Вант-Гофф женился на Иоганне Франсине Меес, которая так же, как и он, была родом из Роттердама. У них родилось четверо детей - два сына и две дочери.

Последние годы

Всю оставшуюся жизнь ученый провел, живя и работая в Германии. Он был членом многих научных организаций и имел почетные степени не только в европейских, но и в американских университетах. Помимо научной деятельности, которой была посвящена вся его жизнь, Якоб Вант-Гофф никогда не переставал восхищаться искусством, в частности, столь горячо им любимой поэзией. Также очень любил философию, обожал проводить время на природе.

ричиной смерти ученого стал туберкулез, на то время одно из очень распространенных и опаснейших заболеваний. Скончался великий ученый 1 марта 1911 года в германском Стеглице (сегодня - один из районов Берлина).

Для нас важна актуальность и достоверность информации. Если вы обнаружили ошибку или неточность, пожалуйста, сообщите нам. Выделите ошибку и нажмите сочетание клавиш Ctrl+Enter .

Наш нынешний герой - весьма необычный человек (впрочем, бывают ли обычные нобелевские лауреаты). Он с детства был увлечен химией и добился своего, за короткую жизнь успев создать задел минимум на три Нобелевских премии, в разных ее областях. При этом активно пользовался своим авторитетом для того, чтобы его коллеги тоже не остались без премии. Итак, встречайте: Якоб Хендрик Вант-Гофф .

Формулировка нобелевского комитета: «В знак признания огромной важности открытия законов химической динамики и осмотического давления в растворах» (in recognition of the extraordinary services he has rendered by the discovery of the laws of chemical dynamics and osmotic pressure in solutions).

В биографии первого нобелевского лауреата по химии, Якоба Хенрика Вант-Гоффа, есть одна деталь, свойственная юности многих ученых, - конфликт с родителями. Папа хочет, чтобы сын получил денежную профессию, сын (третий из семи детей) обожает поэзию, философию и химию. В случае Якоба Хендрика Вант-Гоффа-старшего такая жесткость была странной: он сам был не только врачом, но и выдающимся любителем и знатоком Шекспира. Но ни увлечения философией, ни многочисленные химические опыты дома, ни кумир Байрон, на которого Вант-Гофф буквально молился, не помогли, и по велению отца Якоб Хендрик Вант-Гофф-младший отправился изучать инженерное дело.

В принципе, сейчас, конечно, выбранное отцом образовательное учреждение было бы очень престижно: политехническая школа в Делфте превратилась в мощный Делфтский технический университет, опытом которого, например, активно пользуется наш МФТИ. Но тогда это было больше похоже на ПТУ.

Вант-Гофф поступил в 1869 году. На то, чтобы пройти все курсы и сдать экзамен, у него было три года. Вант-Гофф справился за два, сдав восьмого июля экзамен и получив специальность - сюрприз! - химического технолога. Видимо, здесь родители и сдались, и, поработав чуток на сахарном заводе, Вант-Гофф отправился в университет. Он поступил в Лейден, на естественно-математический факультет, но весьма быстро понял, что математика (чистая), при всей его любви к вычислениям, «не его», а химия «не отпускает».

И наш герой отправился учиться химии в Бонн, причем под руководством не абы кого, а самого Фридриха Кекуле (для тех, кто забыл школьную программу, напомним, что химики шестидесятых вообще очень любили спать и видеть научные сны. Менделеев увидел в 1869 году свой периодический закон, а Кекуле увидел танцующих обезьян, которые привели его в 1865 году к правильной формуле бензола в виде шестиугольника).

Для нас важно то, что Кекуле был автор самого понятия и термина «валентность», а также автором определения углерода как четырехвалентного элемента. То есть с самого начала своего пути в профессиональной химии Вант-Гофф оказался в эпицентре зарождающейся органической химии, которая уже имела большое количество накопившихся проблем, требующих решения.

Фридрих Август Кекуле, 1890-е

Wikmedia Commons

Уже в начале XIX века удивительный ученый, физик, географ, геодезист, астроном, воздухоплаватель Жан-Батист Био удивился тому, что растворы некоторых веществ могут вращать плоскость поляризации проходящего через них поляризованного света. Причем совершенно одинаковые по составу вещества могут различаться: одни вращали эту плоскость влево, другие - вправо. Почти полвека спустя, в 1848 году, другой великий француз, Луи Пастер, предположил, что молекулы таких веществ представляют собой зеркальные отражения друг друга.

И вот через два года после начала своей научной и учебной карьеры в химии Вант-Гофф публикует статью под названием «Попытка распространить в [трехмерное] пространство существующие структурные химические формулы. С примечанием об отношении между оптической активностью и химическим устройством органических соединений». На 11 страничках Вант-Гофф публикует гениальную догадку: атом углерода представляет собой тетраэдр. Сам атом находится в центре этой объемной фигуры, а четыре связи (помните постулат Кекуле), которые он образует, направлены к его вершинам. Таким образом, если у углерода есть четыре разных заместителя, то зеркальное отражение такой молекулы будет другой молекулой, отражения будут несовместимы в пространстве, как перчатка на правую и левую руки.

Wikimedia Commons

Так началась научная биография Вант-Гоффа. Тем не менее просто не было. Приходилось зарабатывать репетиторством, давать частные уроки и искать себе место в академических учреждениях. В 1876 году оно нашлось. Сначала им стала Королевская ветеринарная (!) школа в Утрехте, затем - наконец-то - Вант-Гофф стал профессором Университета Амстердама.

Что же касается теории… Теория Вант-Гоффа (и примкнувшего к нему товарища по Парижскому университету Жозефа Ашиля Ле Беля) была принята, как водится, в штыки. Даже «сооткрыватель» четырехвалентного углерода (вместе с Кекуле), Герман Кольбе, назвал работу «фантастической чепухой, напрочь лишенной какого бы то ни было фактического основания и совершенно непонятной серьезному исследователю».

Можно привести еще более едкую цитату из Кольбе: «Доктор Вант-Гофф из Ветеринарной школы в Утрехте, видимо, не испытывает симпатии к точному химическому исследованию. Он рассматривает его скорее как оседлание Пегаса (видимо, заимствовано из ветеринарной школы) и объявляет в своем труде, как, подобно его смелому полету на вершину химического Парнаса, атомы явились ему, расположенные в космическом пространстве».

Кто оказался прав, может судить любой человек, добравшийся в школьном курсе химии до органики. А Вант-Гоффу пришлось ждать шесть лет: в 1880 году его теорию признали очень влиятельные ученые, Иоганн Вислиценус и Виктор Мейер. И именно с этого началась современная стереохимия (в итоге работы в этом направлении принесли «Нобеля» Владимиру Прелогу в 1978 году).

Виктор Мейер, ок. 1880 года

Wikimedia Commons

Но в это время Вант-Гофф уже ушел из органики и занялся тем, куда серьезные ученые, в общем, пока что не совались, в изучение скорости химических реакций.

Прекрасный дар экспериментатора и увлечение математикой позволили ему привнести законы термодинамики в химию. Сначала появляется правило Вант-Гоффа (при повышении температуры на 10 градусов, скорость реакции увеличивается в 2-4 раза), а затем и более сложные уравнения химической кинетики. Кстати, единственный наш «Нобель» по химии - это продолжение трудов Вант-Гоффа. Николай Николаевич Семенов свою монографию «Цепные реакции» посвятил именно «памяти Сванте Аррениуса и Якоба Вант-Гоффа».

Сванте Аррениус

Wikipedia Commons

В 1884 году вышел его труд Études de Dynamique chimique (Опыты химической динамики). Затем он изучал разбавленные растворы и тем самым заложил основы будущей теории электролитической диссоциации Сванте Аррениуса (позже они станут работать вместе, и Аррениус станет третьим нобелевским лауреатом по химии), параллельно тщательно изучив такое важное для физики (и биологии) явление, как осмотическое давление. Работ было много, и именно поэтому пришлось уехать из Амстердама: преподавать и заниматься административной работой Вант-Гоффу не хотелось.

С 1896 года он жил в Берлине, и снова поменял область работы, приблизившись уже к геологии. Он изучал океанические отложения в Штатфурте. Опять же, так пишется в академических книжках. Но это одно из крупнейших калийных месторождений мира, которое обеспечивало калием всю керамическую, мыловаренную, оптическую промышленность Германии и калийными удобрениями - ее сельское хозяйство. А от изучения палеозойских пород Вант-Гофф снова перешел в новую область - в биохимию. Он был одним из первых химиков, занявшихся изучением ферментов и кинетики их работы.

Наступил XX век, и нобелевский комитет начал делать свой первый выбор. Номинаций на первую премию по химии было 20. 11 из них - Вант-Гоффа. Поэтому выбор победителя так же, как и в номинации по физике, был очевиден. Правда, из «неудачников» 1901 года и Эмиль Фишер, и Сванте Аррениус, и Анри Муассан тоже в последующие пять лет успели получить свои премии. Сам же Вант-Гофф 16 раз предлагал свои кандидатуры нобелевскому комитету, и не только по химии. И очень часто - удачно. Аррениус, Рэлей, Рамзай, Макс Планк, Ленард - все они были номинированы Вант-Гоффом (правда, не все получили премию с его номинации). Жаль, что ни в 1905, ни в 1906 году комитет не послушал первого лауреата и не присудил премии Дмитрию Менделееву. Это было бы достойным завершением жизни Вант-Гоффа, скончавшегося в 1911 году от туберкулеза. Увы, другой нобелевский лауреат, Зельман Ваксман, тогда только год как уехал из Одессы и жил на ферме у сестер. В 1911 году эффективного средства борьбы с чахоткой еще не существовало.

ВАНТ-ГОФФ Якоб-Хендрик
(van"t Hoff J.H.)

(30.VIII.1852 - 1.III.1911)

Голландский химик. Родился в Роттердаме. Окончил Политехническую школу в Делфте (1871 г.). Совершенствовал образование в Лейденском и Боннском (у Ф. Кекуле) университетах, Высшей медицинской школе в Париже (у Ш. Вюрца) и Утрехтском университете (доктор философии, 1874 г.).
С 1876 г. работал в Ветеринарной школе в Утрехте, в 1878 -1896 гг. - профессор Амстердамского, в 1896 - 1911 гг. - Берлинского университетов.

Один из основателей физической химии и стереохимии.

Рассмотрев различные случаи оптической изомерии органических соединений, впервые одновременно с Ж. Ле-Белем и независимо от него сформулировал (1874 г.) теорию пространственного расположения атомов в молекулах органических соединений, лежащую в основе современной стереохимии.
Выдвинул идеи о направленности единиц сродства атома углерода по углам тетраэдра, о наличии двух стереоизомеров у соединения, содержащего атом углерода с четырьмя разными заместителями, и о реберном соединении тетраэдров при наличии двойной связи.
Предсказал изомерию алленовых соединений.
Вывел правило, по которому молекулярное вращение соединения с несколькими асимметрическими центрами представляет собой алгебраическую сумму долей молекулярных вращений асимметрических центров, так называемых ротофоров (принцип оптической аддитивности Вант-Гоффа ).
Исследовал (с 1880-х гг.) кинетику реакций и химическое сродство.
Предложил классификацию химических реакций. Установил, что при повышении температуры на 10 °С скорость реакции увеличивается в 2-4 раза (правило Вант-Гоффа ).
Вывел одно из основных уравнений химической термодинамики - уравнение изохоры , выражающее зависимость константы равновесия от температуры и теплового эффекта, а также уравнение химической изотермы, выражающее зависимость химического сродства от константы равновесия реакции при постоянной температуре.
Опубликовал (1884 г.) работу "Очерки химической динамики", в которой сформулировал основные постулаты химической кинетики.
Впервые предложил оценивать реакционную способность веществ с помощью константы скорости реакций, что переводило основной тезис структурной химии - о зависимости реакционной способности от строения - на количественные рельсы в рамках химической кинетики.
Заложил (1886 - 1889 гг.) основы количественной теории разбавленных растворов, показав, что растворенные вещества аналогичны веществам в газообразном состоянии и что к разбавленным растворам могут быть применены простые законы (включая закон Авогадро).
Вывел закон осмотического давления (закон Вант-Гоффа ).
Распространил (1890 г.) свои представления о растворах на однородные твердые смеси, заложив основы теории твердых растворов. Распространил аналогию между полиморфными превращениями и переходом из одного агрегатного состояния в другое на двойные соли.

Член ряда академий наук и научных обществ. Иностранный чл.-кор. Петербургской АН (с 1895 г.).

(1852-1911) голландский химик и физик

Развитие химии не представимо без открытий Якоба Хендрика Вант-Гоффа, который создал целую систему наук - стереохимию, химическую кинетику, физическую химию. Одним из первых он понял, что именно объединение двух фундаментальных наук - физики и химии - дает возможность по-новому взглянуть на самые простые явления и объекты.

Якоб Хендрик Вант-Гофф родился в Роттердаме, в семье преуспевающего врача, который к тому же был известным в Голландии знатоком Шекспира. Якоб был третьим по счету из семи родившихся в семье детей. Первоначально он проявлял способности к математике и лишь в городской средней школе изменил этой привязанности. Якоб подружился с преподавателем химии и стал завсегдатаем небольшой школьной лаборатории. А в последнем классе он уже работал в домашней лаборатории, которую сам оборудовал в сарае.

Заканчивая школу, Якоб мечтал о карьере химика. Однако родители, считая научно-исследовательскую работу неперспективной, уговорили сына начать изучать инженерное дело в Политехнической школе в Дельфте. Всего за два года Вант-Гофф прошел трехлетнюю программу обучения и лучше всех сдал выпускной экзамен. Там же он увлекся философией, математикой и поэзией (особенно произведениями Джорджа Байрона).

Проработав недолгое время на сахарном заводе, юноша понял, что должен продолжить образование. Он отправился в Лейден и в 1871 году стал студентом естественно-математического факультета Лейденского университета. Однако уже на следующий год перешел в Боннский университет, чтобы изучать химию под руководством Фридриха Августа Кекуле. Два года спустя будущий ученый продолжил свои занятия в Парижском университете у Л. Вюрца, где и завершил работу над диссертацией. Вернувшись в Нидерланды, он представил ее к защите в Утрехтском университете.

Якоб Вант-Гофф увлекся исследованием явления поляризации света. Еще в самом начале XIX века французский физик Жан-Батист Био заметил, что кристаллические формы некоторых химических веществ могут изменять направление проходящих через них лучей поляризованного света.

Наблюдения показали, что некоторые молекулы (их назвали оптическими изомерами) вращают плоскость света в направлении, противоположном тому, в котором его вращают другие молекулы, хотя и первые, и вторые представляют собой молекулы одного типа и состоят из одинакового числа атомов.

Стремясь объяснить причину этого явления, Луи Пастер еще в 1848 году выдвинул гипотезу, что такие молекулы являются зеркальным отображением друг друга и что атомы в них расположены в трех измерениях. Многие ученые не согласились с Пастером, считая его гипотезу слишком фантастической. Ее проверкой и решил заняться Якоб Вант-Гофф.

В 1874 году, за несколько месяцев до защиты диссертации, молодой ученый опубликовал небольшую статью, где не только обосновал справедливость теории Пастера, но и предложил ее уточненный вариант.

Якоб Вант-Гофф предположил, что оптическая активность органических соединений связана с асимметрической молекулярной структурой, причем атом углерода находится в центре тетраэдра, а в четырех его углах располагаются атомы или группы атомов, отличающиеся друг от друга. Таким образом, взаимообмен расположенных в углах тетраэдра атомов или групп атомов может приводить к появлению молекул, идентичных по химическому составу, но являющихся зеркальным отображением друг друга по структуре. Этим и объясняются различия в их оптических свойствах.

Вначале на эту статью никто не обратил внимания. Разочарование было так велико, что Вант-Гофф даже хотел отказаться от защиты диссертации.

Однако всего через два месяца во Франции вышла аналогичная работа знакомого Вант-Гофа по Парижскому университету Ж. Ле Беля. Независимо от Вант-Гоффа он пришел к таким же выводам. Получение одинаковых результатов придало Якобу Вант-Гоффу уверенность в своих силах, и он возобновил исследования.

Проведенные эксперименты не только подтверждали правильность его выводов, но и позволили построить цельную концепцию поляризации, получившую название теории Вант-Гоффа - Ле Беля. Но убедить ученых в ее правильности оказалось непросто.

Прочитав статью Якоба Хендрика Вант-Гоффа, известный немецкий химик Герман Кольбе назвал ее «фантастической чепухой, напрочь лишенной какого бы то ни было фактического основания и совершенно непонятной серьезному исследователю».

В результате Вант-Гофф, всегда болезненно переживавший любую критику, так и не решился представить ее в качестве докторской диссертации. Он отложил исследования поляризации и написал диссертацию о цианоуксусной и малоновой кислотах и в 1874 году получил за нее докторскую степень по химии.

Открытие ученого признали только через два года. Именно тогда работа Якоба Вант-Гоффа была переведена на французский и немецкий языки. Ученые стали повторять его опыты и один за другим признавали правильность теории. Со временем она легла в основу современной стереохимии - области химии, изучающей пространственное строение молекул.

Становление научной карьеры Якоба Хендрика Вант-Гоффа шло медленно. Вначале ему приходилось давать частные уроки химии и физики, и только в 1876 году он получил должность лектора физики в Королевской ветеринарной школе в Утрехте.

В следующем году ученый становится лектором (а позднее профессором) теоретической и физической химии Амстердамского университета. Здесь в течение последующих 18 лет Вант-Гофф каждую неделю читал пять лекций по органической химии и одну лекцию по минералогии, кристаллографии, геологии и палеонтологии, а также руководил химической лабораторией.

В отличие от большинства химиков своего времени, Якоб Вант-Гофф имел основательную математическую подготовку. Она пригодилась ученому, когда он взялся за сложную задачу изучения скорости реакций и условий, влияющих на химическое равновесие.

В результате проделанной работы ученый классифицировал химические реакции в зависимости от числа участвующих в них молекул как мономолекулярные, бимолекулярные и многомолекулярные, а также определил порядок прохождения химических реакций для многих соединений.

Якоб Хендрик Вант-Гофф стал первым химиком, который применил в этой науке принципы термодинамики. Этот прием позволил объяснить причину подвижного равновесия, возникающего в результате изменения температуры. Тогда же он ввел общепринятое сегодня обозначение обратимости реакции двумя стрелками, направленными в противоположные стороны. Результаты своих исследований Вант-Гофф изложил в книге «Очерки но химической динамике», опубликованной в 1884 году.

В 1811 году итальянский физик Амедео Авогадро установил, что в равных объемах любых газов при одинаковых температуре и давлении содержится одинаковое число молекул. Ван-Тофф экспериментально проверил этот закон и пришел к заключению, что он справедлив и для разбавленных растворов. Сделанное им открытие было очень важным, поскольку все химические реакции и реакции обмена внутри живых существ происходят именно в растворах.

Проводя опыты, ученый установил некоторые закономерности, свойственные осмотическому давлению. Оказалось, что с его помощью можно охарактеризовать поведение двух различных растворов, находящихся по обе стороны мембраны, стремящихся к выравниванию концентрации. Ученый также установил, что и разбавленные растворы подчиняются теории электролитической диссоциации.

В 1878 году Якоб Вант-Гофф женился на дочери роттердамского купца Иоганне Франсине Меес. У них родилось две дочери и два сына.

Известность Вант-Гоффа росла, и многие университеты предлагали ему должность профессора. Теперь ученый мог выбирать наиболее удобное и престижное место работы. Но он отказался покинуть Голландию. В знак благодарности руководство Амстердамского университета выделило средства на постройку для него новой химической лаборатории.

Но через несколько лет Якоб Вант-Гофф понял, что лекции и исполнение административных обязанностей мешают полноценной научной работе. Поэтому он принял предложение Берлинского университета и занял место профессора экспериментальной физики.

Однако вскоре по многочисленным просьбам студентов ему пришлось возобновить чтение лекций. Обычно он уделял лекторской работе один день в неделю, а все остальные дни работал в специально оборудованной лаборатории. Хотя Вант-Гофф не был блестящим лектором, на его занятия собирались толпы студентов и молодых ученых со всей Европы. Ведь в лекциях ученого всегда содержались новые идеи и информация для научного поиска.

В Берлине Якоб Хендрик Вант-Гофф занялся применением физической химии для решения геологических проблем. Он использовал свою методику, например, при анализе океанических соляных отложений в Стасфурте.

Изучая процессы их образования, ученый начал заниматься проблемами биохимии, в частности, изучением ферментов, которые служили катализаторами химических изменений, необходимых для деятельности живых организмов.

В свободное время Вант-Гофф отдавал предпочтение своим первым увлечениям, интересовался поэзией и философией. Единственным видом отдыха для него было общение с природой: каждый выходной ученый стремился выбраться из города.

В 1901 году Якоб Хендрик Вант-Гофф стал первым в истории лауреатом Нобелевской премии по химии, которая была присуждена ему «в знак признания огромной важности открытия им законов химической динамики и осмотического давления в растворах».

Сейчас мы можем сказать, что идеи Якоба Вант-Гоффа определили развитие этой науки на много лет вперед. Возможно, он обогатил бы химию новыми открытиями, но неожиданно заболел туберкулезом и умер в больнице в пригороде Берлина.