Якоб Вант-Гофф — первый Нобелевский лауреат по химии

«Иногда легче обойти преобладающие трудности в науке, чем атаковать их»

Якоб Генрик Вант-Гофф

Этот материал открывает цикл статей, посвященных нобелевским лауреатам по химии, начиная с момента учреждения награды в 1901 году до сегодняшнего дня. Нобелевская премия названа в честь ее учредителя, шведского инженера‑химика, изобретателя и промышленника и филантропа Альфреда Нобеля (Alfred Nobel) и является одной из самых престижных международных наград, ежегодно присуждаемых за выдающиеся научные исследования, революционные изобретения или крупный вклад в культуру или развитие общества. За Альфредом Нобелем прочно закрепилась слава изобретателя динамита или, как его называли газеты, «торговца смертью».

Стоит сказать спасибо репортерам, которые поторопились «заживо похоронить» Нобеля, ошибочно разместив во французской газете некролог под названием «торговец смертью мертв» — ведь именно это событие заставило Нобеля задуматься о том, какую память он оставит о себе человечеству. В результате его завещание, написанное в Париже 27 ноября 1895 года, содержало распоряжение создать фонд, проценты с которого будут выдаваться в виде премии тем, кто в течение предшествующего года принес наибольшую пользу человечеству. Указанные проценты, в соответствии с завещанием, делятся на пять равных частей, которые предназначаются для поощрения открытий в пяти областях: физики, химии, физиологии или медицины, литературы и особый вклад в дело мира.

Первый нобелевский лауреат в области химии, нидерландский химик Якоб Хендрик Вант-Гофф был из числа тех ученых, для которых наука была настоящей страстью и смыслом жизни.

Он родился в почитаемой и интеллигентной голландской семье Алиды Якобы (Колф) Вант-Гофф и врача Якоба Хендрика Вант-Гоффа. Отец Якоба был довольно успешным практикующим врачом, при этом имел очень интересное увлечение — слыл тонким ценителем и знатоком творчества Шекспира. Несмотря на то, что в семье Якоба его намерение стать ученым не слишком приветствовалось, будущий великий химик еще в раннем детстве ощутив свое истинное призвание, не отступался от намеченного пути ни на шаг, без устали работая, совершенствуя себя и как ученый, и как личность. Родным городом Якоба стал Роттердам, он был третьим по счету ребенком из семи родившихся в семье детей. Свои первые химические опыты Вант-Гофф, ученик Роттердамской городской средней школы, ставил дома. Он мечтал о карьере химика, однако родители, считая научно-исследовательскую работу неперспективной, уговорили сына начать изучать инженерное дело в Политехнической школе в Дельфте. Не питая особого пристрастия к освоению инженерной профессии, Вант-Гофф смог стать лучшим выпускником школы на курсе. Там же он увлекся философией, поэзией (особенно произведениями Джорджа Байрона) и математикой, интерес к которым пронес через всю жизнь. Трехлетнюю программу обучения он освоил за два года и смог лучше всех сдать выпускной экзамен. 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. В это время Якоб Вант-Гофф совершает свое первое химическое открытие – он синтезирует пропионовую кислоту, 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.

Еще в самом начале XIX в. французский физик Жан Батист Био заметил, что кристаллические формы некоторых химических веществ могут изменять направление проходящих через них лучей поляризованного света. Научные наблюдения также 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. Наблюдая этот феномен в 1848 г., Луи Пастер выдвинул гипотезу, что такие молекулы являются зеркальным отображением друг друга и что атомы таких соединений расположены в трех измерениях.

В 1874 году, за несколько месяцев до защиты диссертации, Вант-Гофф опубликовал статью на 11 страницах под названием «Предложение применять в пространстве современные структурно-химические формулы вместе с примечанием об отношении между оптической вращательной способностью и химической конструкцией органических соединений» («An Attempt to Extend to Space the Present Structural Chemical Formulae. With an Observation on the Relation Between Optical Activity and the Chemical Constituents of Organic Compounds»), которая имела большой резонанс в научном мире. В этой статье он предложил альтернативный вариант двухмерных моделей, которые в то время использовались для изображения структур химических соединений. 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 оптических свойствах.

Двумя месяцами позже во Франции к подобным же выводам пришел работавший над этой проблемой независимо от Вант-Гоффа его товарищ по Парижскому университету Жозеф Ашиль Ле Бель. Распространив концепцию тетраэдрального асимметрического атома углерода на соединения, содержащие углерод-углеродные двойные связи (общие края) и тройные связи (общие грани), Вант-Гофф утверждал, что эти геометрические изомеры обобществляют края и грани тетраэдра. Поскольку теория Вант-Гоффа – Ле Беля была чрезвычайно противоречивой, Вант-Гофф не решился представить ее в качестве докторской диссертации. Вместо этого он написал диссертацию о цианоуксусной и малоновой кислотах и в 1874 г. получил докторскую степень по химии.

Соображения Вант-Гоффа об асимметрических атомах углерода были опубликованы в нидерландском журнале и не произвели большого впечатления до тех пор, пока двумя годами позднее его статья не была переведена на французский и немецкий языки. Сначала теория Вант-Гоффа – Ле Беля была высмеяна известными химиками, такими, как А.В. Герман Кольбе, который назвал ее «фантастической чепухой, напрочь лишенной какого бы то ни было фактического основания и совершенно непонятной серьезному исследователю». Однако со временем она легла в основу современной стереохимии – области химии, изучающей пространственное строение молекул.

Становление научной карьеры Вант-Гоффа шло медленно. Вначале ему приходилось давать по объявлениям частные уроки химии и физики, и только в 1876 г. он получил должность лектора физики в Королевской ветеринарной школе в Утрехте. В следующем году он становится лектором (а позднее профессором) теоретической и физической химии Амстердамского университета. Здесь в течение последующих 18 лет он каждую неделю читал по пять лекций по органической химии и по одной лекции по минералогии, кристаллографии, геологии и палеонтологии, а также руководил химической лабораторией.

В отличие от большинства химиков своего времени 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 Вант-Гофф в зависимости от числа участвующих в реакции молекул классифицировал химические реакции как мономолекулярные, бимолекулярные и многомолекулярные, а также определил порядок химической реакции для многих соединений. 

После наступления химического равновесия в системе с одинаковой скоростью протекают и прямые, и обратные реакции без каких бы то ни было конечных превращений. Если в такой системе увеличивается давление (меняются условия или концентрация ее компонентов), точка равновесия сдвигается таким образом, чтобы давление уменьшилось. Этот принцип был сформулирован в 1884 г. французским химиком Анри Луи Ле Шателье. В том же году Вант-Гофф применил принципы термодинамики при формулировании принципа 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 «Очерках по химической динамике» ("Etudes de dynamique chimique"), опубликованных в 1884 г. В 1811 г. итальянский физик Амедео Авогадро установил, что в равных объемах любых газов при одинаковых температуре и давлении содержится одинаковое число молекул. Вант-Гофф пришел к заключению, что этот закон справедлив и для разбавленных растворов. Сделанное им открытие было очень важным, поскольку все химические реакции и реакции обмена внутри живых существ происходят в растворах. Ученый также экспериментально установил, что осмотическое давление, представляющее собой меру стремления двух различных растворов по обе стороны мембраны к выравниванию концентрации, в слабых растворах зависит от концентрации и температуры и, следовательно, подчиняется газовым законам термодинамики. Проведенные Вант-Гоффом исследования разбавленных растворов явились обоснованием теории электролитической диссоциации Сванте Аррениуса. Впоследствии Аррениус переехал в Амстердам и работал вместе с Вант-Гоффом
В 1887 г. Вант-Гофф и Вильгельм Оствальд приняли активное участие в создании «Журнала физической химии» ("Zeitschrift fur Physikalische Chemie"). Оствальд незадолго до этого занял вакантное место профессора химии Лейпцигского университета. Вант-Гоффу тоже предлагали эту должность, но он отклонил предложение, так как Амстердамский университет заявил о своей готовности построить ученому новую химическую лабораторию. Однако, когда Вант-Гоффу стало очевидно, что осуществляемая им в Амстердаме педагогическая работа, а также исполнение административных обязанностей мешают его исследовательской деятельности, он принял предложение Берлинского университета занять место профессора экспериментальной физики. Было оговорено, что здесь он будет читать лекции только раз в неделю и в его распоряжение будет отдана полностью оборудованная лаборатория. Это произошло в 1896 г. Работая в Берлине, Вант-Гофф занялся применением физической химии для решения геологических проблем, в частности при анализе океанических соляных отложений в Стасфурте. До первой мировой войны эти отложения почти полностью обеспечивали углекислым калием производство керамики, моющих средств, стекла, мыла и особенно удобрений. Вант-Гофф начал также заниматься проблемами биохимии, в частности изучением ферментов, которые служат катализаторами химических изменений, необходимых для живых организмов. 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.

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

Ученый был назван одним из основателей стереохимии и одним из создателей учения о химической динамике. Исследования Вант-Гоффа внесли значительный вклад в замечательные достижения физической химии.
Через всю свою жизнь Вант-Гофф пронес живой интерес к философии, природе, поэзии. Он умер от туберкулеза легких 1 марта 1911 г. в Германии, в Стеглице (теперь это часть Берлина).

Помимо Нобелевской премии, Вант-Гофф был награжден медалью Дэви Лондонского королевского общества (1893) и медалью Гельмгольца Прусской академии наук (1911). Он был членом Нидерландской королевской и Прусской академий наук, Британского и Американского химических обществ, американской Национальной академии наук и Французской академии наук. В.-Г. были присвоены почетные степени Чикагского, Гарвардского и Йельского университетов.