Якоб Вант Хоф
gigatos | януари 30, 2022
Резюме
Якоб Хендрик (30 август 1852 г. (1852-08-30), Ротердам – 1 март 1911 г., Берлин) е холандски химик, един от основоположниците на стереохимията и химичната кинетика, първият носител на Нобелова награда за химия (1901 г.) с формулировката „в знак на признание за голямото значение на откриването на законите на химичната динамика и осмотичното налягане в разтворите“.
Първите години
Якоб Хендрик Ван Гоф е роден на 30 август 1852 г. в Ротердам. Семейството му принадлежи към стар холандски род. Бащата на Якоб, Якоб Хендрик Вант-Гоф-старши, е лекар, а майка му, Алида Якоб Колф, е домакиня. Той е третото дете в семейството и има четирима братя и две сестри.
На осемгодишна възраст Якоб започва да учи в държавно училище близо до Ротердам. Това беше училище с широка учебна програма. В него се изучават природни и хуманитарни науки, чужди езици, рисуване и пеене. Още тук започват да се проявяват изключителните способности на бъдещия учен. Най-големите му успехи са в областта на математиката и физиката.
През 1867 г., на петнадесетгодишна възраст, Вант-Гоф успешно издържа приемните изпити и постъпва в четвърти клас на петкласна градска гимназия. В това училище фокусът беше върху природните науки и математиката. Тук бъдещият учен се интересува от химия и започва да прави първите си опити.
През 1869 г., след като завършва училище, Якоб заминава за Делфт, където се записва в Политехническото училище, желаейки да получи диплома по химическо инженерство. Вант-Гоф прекарва по-голямата част от времето си в областта на химията и математиката. Учеше усърдно, което му позволи да завърши за две години вместо за три.
По време на първата си студентска ваканция Вант-Гоф отива на стаж. Действието се развива в захарна фабрика в Северен Брабант. По време на стажа начинаещият учен работи върху определянето на концентрацията на захар с помощта на поляриметър. Той намира тази работа за безмислена и монотонна, но именно монотонността и рутината на процеса събуждат у него желание за по-дълбоко разбиране на химичните процеси.
Студентските години
През октомври 1871 г. Вант-Гоф става студент в Лайденския университет. Учи усърдно, както винаги, и е запленен от поезията и философията. Той дори имал идеята да се посвети изцяло на поезията. Но първите му опити в тази насока са неуспешни и той се връща към пътя на химик изследовател.
Скоро Вант-Гоф осъзнава, че за да изучава сериозно съвременната химия, трябва да се премести в друг университет. Премества се в Бон и започва работа в Бонския университет, където Фридрих Август Кекуле е професор по химия.
След като се записва, Вант-Гоф веднага започва експериментални изследвания. Кекуле веднага забелязва изключителното старание на Вант-Гоф, но скоро между професора и стажанта възниква конфликт, предизвикан от желанието на Кекуле да използва знанията и способностите на Вант-Гоф за провеждане на собствени изследвания. В едно от писмата си до родителите си Вант-Гоф пише:
„Малък спор с професор Кекуле: той има някои нови идеи за камфора и терпентина и иска да използва няколко лаборанти, за да се справи с тях, т.е. иска да превърне няколкото платени лаборанти в неплатени частни асистенти. Не приех това предложение и бях принуден да си търся собствена тема за разработване, а сега, когато съм зает с тази тема, професор Кекуле не се отнася с мен както преди и продължава да наема нови асистенти.“
В крайна сметка Вант-Гоф решава да напусне лабораторията на Кекуле. Но за да продължи успешно работата си, той трябва да получи сертификат от професора, удостоверяващ успеха на експерименталната му работа. Случаят обаче завършва благополучно. След дълги проучвания Уанг Гоф представя резултатите си на професора. За изненада на младия учен, след кратък диалог професорът каза: „Ще получите сертификат, и то много добър.“ Всъщност Вант-Гоф получава сертификата си от Кекуле на 17 юни 1873 г. Професорът също така посъветва младия учен да продължи изследванията си в друг университет. Преди да последва съвета му, Вант-Гоф заминава за Утрехт, където на 22 декември 1873 г. успешно издържа докторантските си изпити, които му дават право да защити докторска степен.
През януари 1874 г. Вант-Гоф заминава за Париж, за да продължи изследванията си в областта на органичната химия в лабораторията на Шарл Адолф Вюрц. В тази лаборатория Вант-Гоф се запознава с А.Р. Генингер и Ж.А. Льо Бел, които впоследствие стават негови близки приятели. Въпреки това още в края на октомври 1874 г. Вант-Хоф се връща в Утрехт, след като получава сертификат от Вюрц. Тук той завършва обучението си в рамките на няколко месеца и на 22 декември 1874 г. защитава докторската си дисертация за синтеза на цианооцетна и малонова киселина.
Започваме с науката
Малко преди да защити докторската си дисертация през септември 1874 г., той публикува малка книжка на нидерландски език с дългото заглавие „Предложение за представяне на използваните понастоящем структурни формули в пространството и свързан с него коментар за връзката между оптичната ротативност и химичния състав на органичните съединения“. По-късно, в края на 1875 г., тази брошура е публикувана на немски език в превод на асистента на Й. Виселиус Ф. Херман.
Докато подготвя препечатването на статията на френски език, Вант-Гоф е зает с намирането на работа. Дълго време нямал късмет в това отношение и бил принуден да дава частни уроци. Едва през март 1876 г. той успява да получи място като асистент по химия във Ветеринарното училище в Утрехт.
След публикуването на немското издание на памфлета на Вант-Хоф много учени успяват да го прочетат. Възгледите на Вант-Гоф обаче внезапно са подложени на остра критика от утвърдени химици. Едни от най-важните противници на идеите на Винсент-Хоф са М. Берто и Х. Колбе. Последният дори си позволи да се изкаже доста грубо и безцеремонно по адрес на Вант-Гоф. В края на 70-те години на XIX век обаче голяма част от химиците признават стереохимичната теория. Много експерименти потвърдиха приложимостта му на практика. По-късно е установена и връзката на оптичната ротативност на молекулите с наличието на асиметричен въглероден атом в тях.
Работа в Амстердамския университет (1877-1895)
Благодарение на препоръките на приятели, на 26 юни 1877 г. Вант-Гоф е поканен да заеме място като преподавател в Амстердамския университет. Година по-късно, на 26-годишна възраст, той става професор по химия, минералогия и геология (а по-късно и по физикохимия). През първите няколко години Вант-Гоф организира и създава химическа лаборатория. Между 1878 и 1884 г. той публикува само няколко статии, тъй като е зает с преподаване и създаване на лаборатория.
Преместването в Амстердам е свързано с важно събитие в личния живот на Вант-Гоф. През 1878 г. предлага брак на Йохана Францина Меес (дъщеря на ротердамски търговец), в която отдавна е влюбен. На 27 декември същата година те се женят. Имат две дъщери – Йохана Францина (1880 г.) и Алейда Якоб (1882 г.), и двама сина – Якобс Хендрикус (1883 г.) и Говерт Якоб (1889 г.). В продължение на повече от 30 години съпругата му е негов верен и обичан приятел.
През 1881 г. Вант-Гоф публикува книгата си „Прозрения за органичната химия“, над която започва да работи още в Утрехт. В тази книга ученият се опитва да установи връзката между структурата на веществата и техните физични и химични свойства. Опитът обаче не е особено успешен и досега книгата не е позната на много хора. За самия Вант-Гоф обаче книгата е важна стъпка. При работата си над тази книга той стига до проблема за химичното сродство, до признаването на важността на химичната термодинамика и до проблемите на химичното равновесие и скоростта на химичните реакции. От този момент нататък може да се счита, че Вант-Гоф се занимава с физикохимия.
През 1884 г. е публикувана най-известната книга на Вант-Гоф – „Есета по химична динамика“. С появата на тази книга се поставя началото на физикохимията. Вант-Гоф е първият, който използва широко принципите на термодинамиката и математическите методи, за да анализира и обясни наблюдаваните химични процеси. В една много малка книга Вант-Гоф представя в концентриран вид голям и много важен принос към разбирането на природата и механизма на химичните реакции. Въпреки това появата на книгата първоначално не предизвиква никаква реакция в химическия свят. Химиците не само не забелязват появата на книгата, но и някои от идеите ѝ се оказват непонятни за тях.
Една година по-късно, на 14 октомври 1885 г., Вант-Гоф представя за публикуване нов теоретичен труд, озаглавен „Химично равновесие в системи от газове и разредени разтвори“, който е публикуван през 1886 г. Този труд продължава и разширява идеите, изразени в „Резюме на химичната динамика“, което придобива напълно самостоятелно значение. Скоро след книгата „Химично равновесие в системи от газове и разредени разтвори“ шведският учен Сванте Арениус представя известната си теория за електролитната дисоциация. Възникването на тази теория е най-пряко свързано с работата на Вант-Хоф.
През 1887 г. У. Оствалд, заедно с Дж. G. Vant-Goff и S. А. Арениус основава в Лайпциг международното списание „Journal of Physical Chemistry“ (Zeitschrift fur phys. Chemie), което става широко разпространено и признато сред химиците. Това списание придобива голямо значение за развитието и популяризирането на нови идеи в областта на физикохимията. Още в първия том на това списание се появяват най-важните статии на Уант-Хоф и Арениус.
След публикуването на работата си по химична динамика и равновесие Вант-Гоф става известен в научния свят. В същото време той продължава да преподава в Амстердамския университет. Освен че изнася лекции, той ръководи научни изследвания в създадената от него лаборатория, която в крайна сметка привлича голям брой стажанти и учени да работят под ръководството на известния учен.
Между 1888 и 1895 г. Вант-Гоф работи основно върху развитието на по-ранни идеи, главно в областта на теорията на решенията. Същевременно публикува няколко статии по стереохимия и термодинамика. Голям интерес представлява статията му „За твърдите разтвори и определянето на молекулното тегло в твърдите тела“, в която Вант-Гоф се опитва да покаже, че закономерностите, които е получил за течните разтвори, в някои случаи могат да се приложат и за твърдите смеси. С тази статия Вант-Гоф поставя основите на теорията на твърдите разтвори, която впоследствие развива.
Работа в Берлинския университет
Към средата на 90-те години на XIX в. преподавателските задължения започват да тежат на Уан Гоф. В желанието си да си осигури комфортни условия за изследователска работа, през 1895 г. той приема изключително благородно предложение от Берлинската академия на науките и Берлинския университет да заеме поста на университетски професор, без да се налага да води лекционни курсове. На 30 януари 1896 г. Вант-Хоф е избран за пълноправен член на Пруската академия на науките.
През март 1896 г. Вандт-Хоф се премества в Берлин, където веднага започва да изследва нова област – образуването на естествени солни находища от океански произход. Особено се интересува от образуването на известните Щасфуртски солни полета край Магдебург и механизмите на образуването им. Тази работа е смел опит да се използват законите на физикохимията за обяснение на геохимичните процеси. Разработването на тази тема позволи експериментално и теоретично да се осветли една от най-важните области на геологията.
Вандт-Хоф провежда задълбочени изследвания на образуването на залежите в солното находище в Щасфурт заедно със своя ученик и приятел от руски произход Вилхелм Майерхофер. Той е много талантлив и независим учен, който преди това е работил върху равновесието на солите и е бил много оригинален и в теоретичните си възгледи.
Последни години от живота, смърт
През 1896 г. Майерхофер, заедно с Вант-Хоф, създава малка частна лаборатория в Берлин, където се провеждат основната част от изследванията на находищата в Щасфурт. Работата продължава около 10 години, а резултатите са публикувани в доклади на Пруската академия на науките. Бяха публикувани общо 52 документа. Изследването на образуването на океански солни находища и получените резултати са от голямо значение за геологията и минералогията, както и за химията. Те са в основата на по-широк кръг изследвания, провеждани в тази област до днес.
През 1901 г. Вант-Гоф е първият химик, който получава Нобелова награда „като признание за голямото значение на откриването на законите на химичната динамика и осмотичното налягане в разтворите“.
Сътрудничеството между Вант-Гоф и Майерхофер, продължило десет години, е изключително плодотворно. Но през 1905 г. тя внезапно е прекъсната от тежкото заболяване на Майерхофер. На 21 април 1906 г. Майерхофер умира. Вант-Гоф преживява тежко смъртта на своя приятел и сътрудник. По това време самият той започва да се чувства зле: появяват се признаци на тежко белодробно заболяване – туберкулоза.
Вант-Гоф не искаше да се откаже. Той търси нова област за задълбочени систематични изследвания. В края на 1905 г. той решава да се посвети на изучаването на синтетичното действие на ензимите. С богатия си опит в областта на стереохимията и изследванията на осмотичното налягане ученият иска да се заеме с проблемите на биохимията.
Намеренията му обаче са осуетени от прогресиращо заболяване. Планираните изследвания трябваше да бъдат прекъснати. Последните години от живота му са помрачени от загубата на няколко близки хора – роднини и колеги.
На 15 декември 1910 г. Накрая Вант-Гоф се разболява. Опитите му да се върне на работа няколко седмици по-късно се оказват безрезултатни. На 1 март 1911 г. умира.
Стереохимия
Вант-Гоф е един от основателите на стереохимията. Памфлетът му „Предложение за представяне на сега използваните структурни формули в пространството и свързаната с него забележка за връзката между оптичната ротативност и химичния състав на органичните съединения“, публикуван през 1874 г. на нидерландски език и по-късно преведен на немски и френски, е остро критикуван от известните химици по онова време. С течение на времето обаче идеите, които Вант-Гоф излага в този памфлет, получават широко разпространение.
Вант-Гоф предлага четворният въглероден атом да бъде представен като тетраедър. Въз основа на тази идея ученият предполага, че появата на оптична ротативност на молекулите може да се дължи на наличието на асиметричен въглероден атом (въглероден атом, свързан с четири различни заместителя). Това предположение е най-важната идея на стереохимичната теория. Впоследствие са проведени много експерименти за потвърждаване на тази идея.
Физикохимия
През 1884 г. Вант-Гоф публикува книгата си „Есета за химичната динамика“. Появата на тази книга бележи раждането на самата физикохимия. Вант-Гоф използва принципите на термодинамиката и математическите методи за първи път при разглеждането на химичните процеси. Когато започва работата си по книгата, Вант-Гоф осъзнава, че ще трябва да използва изолираните, разнородни и малко на брой факти, установени от неговите предшественици, за да осигури принципна рамка за количествено описание на химичния процес.
В този труд Вант-Гоф формулира понятието „молекулярна трансформация“ и въз основа на молекулярно-кинетичните идеи прави класификация на тези трансформации в зависимост от броя на молекулите, участващи в реакцията. Той въвежда понятията за константата на скоростта на реакцията, моно-, ди- и тримолекулните реакции и формулира важното твърдение: „Протичането на едно химично превръщане се характеризира изключително от броя на молекулите, които взаимодействат при превръщането“.
Като използва конкретни примери за реакции, Вант-Гоф определя закономерностите на моно-, би- и мултимолекулните реакции и дава изрази за скоростта им под формата на добре познатата формула:
dc
където c{displaystyle c} е концентрацията на реагиращите вещества, n{displaystyle n} е броят на молекулите, участващи в реакцията (n{displaystyle n} = 1 за едномолекулни, n{displaystyle n} = 2 за двумолекулни и т.н.), k{displaystyle k} – е константата на скоростта на реакцията.
Вант-Гоф разглежда влиянието на формата и размера на реакционните съдове върху протичането на реакциите, начините за избор на подходяща среда и влиянието на стените на съдовете. По-специално той дава резултати от експерименти за ефекта от покриването на вътрешните стени на апарата (например с масло). Той също така прави преглед на начините и методите за определяне на броя на молекулите, участващи в химичната трансформация.
Вант-Гоф разглежда и влиянието на температурата върху химичното преобразуване. По-специално, използвайки обратимата реакция N2O4↽–⇀2NO2{displaystyle {ce {N2O4 <=> 2 NO2}}, той извежда добре познатото уравнение, свързано с температурата и константите на скоростта на пряката k′{displaystyle k’} и обратната k″{displaystyle k“} реакции:
dlnk′
където q{{displaystyle q} е броят на калориите, които се освобождават, когато единица от второто вещество се превръща в първото вещество при постоянен обем.
Въз основа на получените данни Вант-Гоф внимателно анализира различните случаи на химично равновесие. Vannt-Goff отбелязва тясната връзка между степента на трансформация и равновесието. Той разглежда равновесието като резултат от две противоположни реакции, протичащи с определена скорост, и стига до друга важна формула:
dlnk′
където K=k′
През 1886 г. е публикуван трудът на Вант-Гоф, озаглавен „Химично равновесие в системи от газове и разредени разтвори“. Основната цел на тази работа беше да се направи опит за установяване на ангиологията в законите, описващи поведението на газовите системи и разтвори.
Вант-Гоф разглежда връзката на осмотичното налягане с други физико-химични параметри. Описвайки апарата на Пфефер и предложения от него метод за създаване на полупропускливи прегради, Вант-Гоф изказва важната идея за обратимостта на промените в осмотичното налягане. Използвайки понятията за полупропускливи прегради, беше възможно да се проведат обратими кръгови процеси за разтвори и по този начин да се установи аналогия между газове и разтвори. По този начин стана съвсем очевидно, че законите за газовото състояние са приложими и за описание на осмотичното налягане в разредени разтвори.
Вант-Гоф доказва теоретично и експериментално приложимостта на законите на Бойл и Гей-Люсак, както и на формулата на Клапейрон за разредени разтвори. Оттук Ваннт-Гоф стига до заключението, че принципът на Авогадро е напълно приложим и за разредени разтвори и че изотоничните разтвори трябва да са еквимолекулни.
За разредени разтвори Вант-Гоф изчислява стойността на газовата константа R{displaystyle R} в уравнението на Клапейрон. Стойността на R{displaystyle R}, получена от измерванията на осмотичното налягане, е близка до стойността, получена за идеалните газове. В някои случаи обаче (разтвори на минерални киселини и соли) стойността на газовата константа се различава. Затова Ваннт-Гоф пренаписва уравнението на Клапейрон във вида
PV=iRT{displaystyle PV=iRT}
където P{displaystyle P} е налягането; V{displaystyle V} е обемът; T{displaystyle T} е температурата; R{displaystyle R} е газовата константа, която има същата стойност като за газовете; i{displaystyle i} е корекционен коефициент, близък до единица и зависещ от естеството на веществото, за което се прилага уравнението (Вант-Гоф нарича този коефициент „коефициент на активност“).
Също така Вант-Гоф показа, че
i=5,6mΔ{displaystyle i=5,6mDelta }
където m{displaystyle m} е молекулната маса на веществото; Δ{displaystyle Delta } е количеството, с което присъствието на веществото (1 : 100) намалява налягането на водните пари. Вант-Гоф предложи други начини за определяне на коефициента i{displaystyle i}, например чрез криоскопични или ебулоскопични константи. Така Вант-Гоф предлага метод за определяне на молекулното тегло на дадено вещество въз основа на физичните свойства на неговия разтвор.
Баланс на солта
Заедно с приятеля си Вилхелм Майерхофер Вант-Гоф провежда задълбочени изследвания на образуването на солните находища в Щасфурт. Тези седименти са с морски произход. Химическият анализ на находищата в Stassfurth показва, че химическият им състав е доста сложен. Те се състоят главно от хлориди, сулфати и борати на натрия, калия, магнезия и калция.
Заедно с Майерхоф Вант-Гоф открива, че температурата е основният фактор за образуването на солни отлагания. В някои случаи времето също играе важна роля. Някои от трансформациите, извършени от изследователите, отнемат няколко месеца. Установено е, че влиянието на налягането върху кристализацията на соли от многокомпонентни разтвори е незначително.
В резултат на тези изследвания е установено, че някои минерали не могат да се образуват при 25°C. Така смесите от кизерит (MgSO4⋅H2O{displaystyle {ce {MgSO4*H2O}}) и силвин (KCl{displaystyle {ce {KCl}}}) с примес от натриев хлорид образуван от карналит (KCl⋅MgCl2⋅6H2O{displaystyle {ce {KCl*MgCl2*6H2O}}) и кизерит, може да се освободи само при много по-високи температури. Въпреки съмненията относно възможността за отлагане на соли при температури над 70 °C, сравненията на състава на минералите в седиментите показаха, че образуването им е станало в два температурни интервала – при 25 °C и 83 °C.
Чрез определяне на температурите на трансформация в такива сложни смеси са получени няколко синтетични минерала, както тези, които се съдържат в седиментите от Щасфурт, така и тези, които не се съдържат в тях.
През 1970 г. кратер на Луната е наречен на името на Якоб Хендрик ван Гоф.
Един от синтетичните минерали Вантофит, Na5Mg(SO4)4{displaystyle {ce {Na5Mg(SO4)4}}, е наречен на името на великия учен Вантофит.
Източници
