Теория вант гоффа. Первый нобелевский лауреат якоб вант-гофф

(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. А. Кекуле) университетах, Высшей медицинской школе в Париже (y Ш. А. 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. А. 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.).

Нобелевская премия (1901 г.).

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.

В списке лауреатов Нобелевской премии по химии имя Вант-Гоффа стоит первым. Нобелевскую премию он получил в 1901 г. «за открытие законов химической динамики и осмотического давления в растворах».

Якоб-Хендрик Вант-Гофф (1852-1911) - один из выдающихся физико-химиков, основателей современной физической химии - родился в Роттердаме (Голландия) в семье врача. У Якоба было четыре брата и две сестры. Двое из братьев умерли в младенчестве. Сестра Якоба, восьмилетняя Мария, которая была старше его на три года, умерла от туберкулеза.

В 1874 г. в Утрехтском университете Вант-Гофф защищает докторскую диссертацию, посвященную исследованию некоторых органических кислот, и становится доктором математики и на­турфилософии. Однако ни в одном из университетов Голландии не нашлось ему места для работы, даже в должности учителя химии ему было отказано. В течение двух лет Вант-Гоффу пришлось давать частные уроки по химии и физике. Только в 1876 г. он получил свою первую должность доцента в ветеринарной школе Утрехта; здесь к нему и пришла известность после опубликования работы по структурам молекул. В 1878 г. Вант-Гоффа избирают профессором химии, минералогии и геологии в недавно основанном Амстердамском университете. В том же году он женится на дочери купца из Роттердама Женни Месс, которую давно любил и с которой проживет до конца своих дней.

В 1896 г. Вант-Гоффа избирают действительным членом Бер­линской академии наук, и он с семьей переезжает в Берлин.

Последние годы жизни Вант-Гоффа были омрачены смертью его родных и близких: в 1902 году в возрасте 85 лет умер его отец, через шесть лет застрелился зять - муж дочери Евгении, вскоре после этого умер младший брат; другая дочь уехала в США вопреки желанию родителей. В начале 1907 г. Вант-Гофф заболевает туберкулезом легких, каждое лето лечится, но болезнь прогрессирует, и в 1911 г. он умирает. Его старший брат, врач, писал впоследствии, что «переход от жизни к смерти был тихий, совершенно соответствующий тому единственному желанию, которое он высказывал в моменты сознания».

Первую Нобелевскую премию по химии получил в 1901 г. Якоб Генрих Вант-Гофф за открытие закона 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 процесс фундаментальных и прикладных исследованиях по химии. Вант-Гофф стал основателем стереохимии.

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.

В политехникуме Дельфа Вант-Гофф по уровню знаний значительно превосходил 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 декабре 1874 г. Вант-Гофф защитил докторскую диссертацию в университете Утрехта.

Вант-Гофф ввел в науку положения, позволившие с новых позиций рассматривать строение химических соединений. Взгляды Кекуле – автора теории строения бензола- нашли отражение 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 за счет связи атомов или атомных групп с углеродом тетраэдр может быть несимметричным, и высказал представление об асимметричном атоме углерода. «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, т.е. мы имеем дело с двумя структурами в пространстве.

Замечательным достижением Вант-Гоффа явилось установление связи между наличием в соединении асимметрического атома углерода и оптической изомерии веществ.

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

С 1877 по 189 гг. Вант-Гофф был профессором химии, минералогии и геологии в незадолго до того основанном Амстердамском Университете.

В 1884 г. Вант-Гофф в книге «Очерки по химической динамике» изложил свои взгляды по этому вопросу. 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 закономерностьсформулировать 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 противоположных направленных реакций, идущих с одинаковой скоростью, 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.

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

Одним из наиболее значительных открытий этого времени было установление природы движущей силыреакции химического сродства. Это понятие не было точно определено. Томсен в 1854 г. и Бертло в 1868 г. пытались сделать это, но успеха не добились. Вант-Гофф в 1885 г. высказал мысль, что мерой сродства может служить работа реакции, и вывел для нее математическое выражение.

В него, однако, не входила константа равновесия из закона действия масс, сформулированного в общем виде в 1867 г. Гульдбергом и Ваге 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 понижении 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=nRT при его использовании для описания осмотического давления в растворах имеет вид PV=inRT (i – коэффициент, характеризующий отклонение поведения некоторых веществ.) Осмотическое давление растворов было впервые измерено в 1877 г. ботаником Преффером, который пользовался искусственно приготовленными перепонками. 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. Это фундаментальное открытие показало единство законов физики и химии.

Вант-Гофф оказал также большое влияние на дальнейшее развитие теории диссоциации, изучив 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 марте 1896 г.Вант-Гофф был избран действительным ченом Прусской Академии Наук и почетным профессором Берлинского университета.

Давняя тяжелая болезнь Вант-Гоффа помешала ему глубже изучить синтетическое действие ферментов в живом растительном организме. Сделанный ученым в 1890 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, первый лауреат Нобелевской премии по химии (1901 г.), кавалер медалей Довге, Гемгольца 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 кинетики, осмотической теории растворов и химической геологии.

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 .