Jacobus Henricus van ‘t Hoff

gigatos | décembre 22, 2021

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Résumé

Jakob Hendrik (30 août 1852 (1852-08-30), Rotterdam – 1er mars 1911, Berlin) est un chimiste néerlandais, l »un des fondateurs de la stéréochimie et de la cinétique chimique, premier lauréat du prix Nobel de chimie (1901) avec la mention « en reconnaissance de la grande importance de la découverte des lois de la dynamique chimique et de la pression osmotique dans les solutions ».

Les premières années

Jacob Hendrik Wann Goff est né le 30 août 1852 à Rotterdam. Sa famille appartenait à une vieille famille hollandaise. Le père de Jakob, Jakob Hendrik Vant-Goff l »aîné, était médecin et sa mère, Alida Jakob Kolf, était femme au foyer. Il était le troisième enfant de la famille et avait quatre frères et deux sœurs.

À l »âge de huit ans, Jacob est entré dans une école publique près de Rotterdam. C »était une école avec un large programme d »études. On y enseignait les sciences, les humanités, les langues étrangères, le dessin et le chant. Déjà ici, les capacités exceptionnelles du futur érudit ont commencé à se manifester. Ses plus grands succès ont été obtenus en mathématiques et en physique.

En 1867, à l »âge de quinze ans, Vant-Goff a passé avec succès ses examens d »entrée et est entré dans la quatrième classe d »un lycée municipal à cinq classes. Dans cette école, l »accent était mis sur les sciences et les mathématiques. C »est là que le futur scientifique s »est intéressé à la chimie et a commencé à réaliser ses premières expériences.

En 1869, après avoir terminé sa scolarité, Jakob se rend à Delft, où il s »inscrit à l »école polytechnique, souhaitant obtenir un diplôme d »ingénieur chimiste. Vant-Goff a consacré la majeure partie de son temps à la chimie et aux mathématiques. Il a étudié dur, ce qui lui a permis d »obtenir son diplôme en deux ans au lieu de trois.

Pendant ses premières vacances étudiantes, Vant-Goff part en stage. Elle s »est déroulée dans une usine de sucre du Brabant septentrional. Pendant le stage, le scientifique en herbe a travaillé sur la détermination des concentrations de sucre à l »aide d »un polarimètre. Il trouvait ce travail sans intérêt et monotone, mais c »est la monotonie et la routine du processus qui ont éveillé en lui le désir d »une compréhension plus profonde des processus chimiques.

Les années étudiantes

En octobre 1871, Vant-Goff devient étudiant à l »université de Leyde. Il étudie beaucoup, comme il l »a toujours fait, et est fasciné par la poésie et la philosophie. Il a même eu l »idée de se consacrer entièrement à la poésie. Mais ses premières expériences dans cette direction sont infructueuses et il reprend la voie d »un chimiste de recherche.

Vant-Goff se rend vite compte que pour étudier sérieusement la chimie moderne, il doit changer d »université. Il s »installe à Bonn et commence à travailler à l »université de Bonn, où Friedrich August Kekule est alors professeur de chimie.

Après s »être inscrit, Vant-Goff a immédiatement entamé des recherches expérimentales. Kekule a immédiatement remarqué l »assiduité exceptionnelle de Vant-Goff, mais un conflit est rapidement apparu entre le professeur et le stagiaire, causé par le désir de Kekule d »utiliser les connaissances et les capacités de Vant-Goff pour effectuer ses propres recherches. Dans une de ses lettres à ses parents, Vant-Goff écrit :

» Une petite dispute avec le professeur Kekule : il a quelques nouvelles idées sur le camphre et la térébenthine et veut utiliser quelques laborantins pour s »en occuper, c »est-à-dire qu »il veut transformer les quelques laborantins payés en assistants privés non payés. Je n »ai pas accepté cette offre et j »ai été obligé de chercher mon propre sujet à développer, et maintenant que je suis occupé avec ce sujet, le professeur Kekule ne me traite pas comme il le faisait auparavant et continue à engager de nouveaux assistants. »

Finalement, Vant-Goff a décidé de quitter le laboratoire de Kekule. Mais pour pouvoir poursuivre son travail avec succès, il devait obtenir un certificat du professeur attestant de la réussite de son travail expérimental. Cependant, l »affaire s »est terminée sans encombre. Après de nombreuses recherches, Wang Goff a présenté ses résultats au professeur. À la surprise du jeune scientifique, le professeur a dit après un court dialogue : « Vous aurez un certificat et un très bon certificat. » En effet, Vant-Goff a reçu son certificat de Kekule le 17 juin 1873. Le professeur a également conseillé au jeune scientifique de poursuivre ses recherches dans une autre université. Avant de suivre ses conseils, Vant-Goff se rend à Utrecht où, le 22 décembre 1873, il passe avec succès ses examens doctoraux lui permettant de poursuivre ses études.

En janvier 1874, Vant-Goff se rend à Paris pour poursuivre ses recherches en chimie organique dans le laboratoire de Charles Adolphe Wurz. C »est dans ce laboratoire que Vant-Goff a rencontré A.R. Genninger et J.A. Le Bel, qui sont devenus par la suite ses amis proches. Cependant, dès la fin octobre 1874, Vant-Hoff retourne à Utrecht après avoir reçu un certificat de Würtz. Il y termine ses études en quelques mois et soutient le 22 décembre 1874 sa thèse de doctorat sur la synthèse des acides cyanoacétique et malonique.

S »initier aux sciences

Peu avant sa thèse de doctorat, en septembre 1874, il a publié un petit livret en néerlandais portant un long titre : « Proposition sur la représentation des formules structurelles actuellement utilisées dans l »espace et commentaire connexe sur la relation entre la rotativité optique et la constitution chimique des composés organiques ». Plus tard, à la fin de 1875, ce pamphlet a été publié en allemand, traduit par F. Hermann, un assistant de I. Wisselius.

Tout en préparant une réimpression de l »article en français, Vant-Goff s »est préoccupé de trouver du travail. Il n »a longtemps pas eu de chance à cet égard et a été contraint de donner des leçons privées. Ce n »est qu »en mars 1876 qu »il réussit à obtenir un poste de professeur adjoint de chimie à l »école vétérinaire d »Utrecht.

Après la publication de l »édition allemande du pamphlet de Vant-Hoff, de nombreux scientifiques ont pu le lire. Cependant, les vues de Vant-Goff ont soudainement été fortement critiquées par les chimistes établis. Parmi les plus fervents opposants aux idées de Vincent-Hoff figurent M. Bertleau et H. Kolbe. Ce dernier s »est même permis de s »exprimer assez crûment et sans ménagement à l »égard de Vant-Goff. Cependant, à la fin des années 70 du XIXe siècle, une grande partie des chimistes ont reconnu la théorie stéréochimique. De nombreuses expériences ont confirmé son applicabilité dans la pratique. De même, le lien entre la rotativité optique des molécules et la présence d »un atome de carbone asymétrique dans celles-ci a été établi avec précision par la suite.

Travail à l »université d »Amsterdam (1877-1895)

Grâce aux recommandations d »amis, le 26 juin 1877, Vant-Goff est invité à prendre un poste de professeur à l »université d »Amsterdam. Un an plus tard, à l »âge de 26 ans, il devient professeur de chimie, minéralogie et géologie (et plus tard de chimie physique). Vant-Goff a passé les premières années à organiser et à mettre en place un laboratoire de chimie. Entre 1878 et 1884, il ne publie que quelques articles, car il est préoccupé par l »enseignement et la mise en place du laboratoire.

Le déménagement à Amsterdam est associé à un événement majeur dans la vie personnelle de Vant-Goff. En 1878, il demande en mariage Johanna Franzina Mees (fille d »un commerçant de Rotterdam), dont il est amoureux depuis longtemps. Le 27 décembre de la même année, ils se sont mariés. Ils ont eu 2 filles, Johanna Francina (1880) et Aleida Jacob (1882), et 2 fils, Jacobs Hendrikus (1883) et Govert Jacob (1889). Pendant plus de 30 ans, son épouse a été son amie fidèle et bien-aimée.

En 1881, Vant-Goff a publié son livre « Insights into Organic Chemistry », sur lequel il avait commencé à travailler alors qu »il était encore à Utrecht. Dans cet ouvrage, le scientifique a tenté d »établir la relation entre la structure des substances et leurs propriétés physiques et chimiques. Toutefois, la tentative n »a pas été particulièrement fructueuse et, jusqu »à présent, le livre n »a pas été connu de beaucoup de gens. Cependant, pour Vant-Goff lui-même, le livre a été un important tremplin. En travaillant sur ce livre, il est arrivé au problème de l »affinité chimique, à la reconnaissance de l »importance de la thermodynamique chimique et aux problèmes de l »équilibre chimique et de la vitesse des réactions chimiques. A partir de ce moment, on peut considérer que Vant-Goff s »est impliqué dans la chimie physique.

En 1884, le livre le plus célèbre de Vant-Goff, Essais sur la dynamique chimique, est publié. La parution de ce livre a marqué la naissance de la chimie physique. Vant-Goff a été le premier à faire un usage intensif des principes de la thermodynamique et des méthodes mathématiques pour analyser et expliquer les processus chimiques observables. Dans un tout petit livre, Vant-Goff a présenté, sous une forme concentrée, une vaste et très importante contribution à la compréhension de la nature et du mécanisme des réactions chimiques. Malgré cela, la parution de l »ouvrage n »a suscité aucune réaction dans le monde de la chimie. Non seulement les chimistes n »ont pas remarqué l »apparition du livre, mais certaines de ses idées se sont également révélées obscures pour eux.

Un an plus tard, le 14 octobre 1885, Vant-Goff soumet pour publication un nouvel article théorique intitulé « Équilibres chimiques dans les systèmes de gaz et de solutions diluées », qui sera publié en 1886. Cet article poursuit et développe les idées exprimées dans le « Résumé de la dynamique chimique », qui prend un sens complètement indépendant. Peu après « L »équilibre chimique dans les systèmes de gaz et de solutions diluées », le scientifique suédois Svante Arrhenius a élaboré sa célèbre théorie de la dissociation électrolytique. L »émergence de cette théorie est plus directement liée aux travaux de Vant-Hoff.

En 1887, W. Ostwald, en collaboration avec J. G. Vant-Goff et S. A. Arrhenius a fondé le « Journal of Physical Chemistry » (Zeitschrift fur phys. Chemie) international à Leipzig, qui s »est répandu et reconnu parmi les chimistes. Cette revue a pris une grande importance dans le développement et la promotion de nouvelles idées en chimie physique. Déjà dans le premier volume de ce journal sont apparus les articles les plus importants de Want-Hoff et Arrhenius.

Après la publication de ses travaux sur la dynamique et l »équilibre chimiques, Vant-Goff est devenu un nom connu dans le monde scientifique. Parallèlement, il consacre encore beaucoup de temps à l »enseignement à l »université d »Amsterdam. En plus de ses cours, il supervisait les recherches dans le laboratoire qu »il avait créé, ce qui a fini par attirer un grand nombre de stagiaires et de scientifiques qui ont travaillé sous la direction du célèbre scientifique.

Entre 1888 et 1895, Vant-Goff travaille principalement au développement d »idées antérieures, notamment dans le domaine de la théorie des solutions. En même temps, il a publié plusieurs articles sur la stéréochimie et la thermodynamique. Son article « On solid solutions and on the determination of molecular weight in solids », dans lequel Vant-Goff a tenté de montrer que les régularités qu »il avait obtenues pour les solutions liquides pouvaient dans certains cas s »appliquer également aux mélanges solides, est d »un grand intérêt. Avec cet article, Vant-Goff a jeté les bases de la théorie des solutions solides, qu »il a développée par la suite.

Travail à l »Université de Berlin

Au milieu des années 1890, les tâches d »enseignement commencent à peser sur Wann Goff. Souhaitant s »assurer des conditions confortables pour la recherche, il accepte en 1895 une offre très honorable de l »Académie des sciences et de l »Université de Berlin pour occuper le poste de professeur d »université sans avoir à donner de cours. Le 30 janvier 1896, Want-Hoff est élu membre à part entière de l »Académie des sciences de Prusse.

En mars 1896, Wandt-Hoff s »installe à Berlin, où il entame immédiatement des recherches dans un nouveau domaine : la formation de dépôts naturels de sel d »origine océanique. Il s »est particulièrement intéressé à la formation des célèbres champs de sel de Stassfurt, près de Magdebourg, et à leurs mécanismes de formation. Ce travail était une tentative audacieuse d »utiliser les lois de la chimie physique pour expliquer les processus géochimiques. Le développement de ce sujet a permis d »éclairer expérimentalement et théoriquement l »un des domaines les plus importants de la géologie.

Vandt-Hoff a mené des recherches approfondies sur la formation des dépôts au gisement de sel de Stassfurt en collaboration avec son élève et ami d »origine russe Wilhelm Meierhoffer. C »était un scientifique très talentueux et indépendant qui avait déjà travaillé sur l »équilibre des sels et était très original également dans ses vues théoriques.

Dernières années de vie, mort

En 1896, Meyerhoffer établit, avec Want-Hoff, un petit laboratoire privé à Berlin, où l »essentiel des recherches sur les gisements de Stassfurt est effectué. Les travaux ont duré environ 10 ans et les résultats ont été publiés dans des rapports de l »Académie des sciences de Prusse. Au total, 52 articles ont été publiés. Les recherches sur la formation des gisements de sel océanique et les résultats obtenus sont d »une grande importance en géologie et en minéralogie, ainsi qu »en chimie. Ils ont servi de base à un large éventail de recherches menées dans ce domaine jusqu »à aujourd »hui.

En 1901. Vant-Goff a été le premier chimiste à recevoir le prix Nobel « en reconnaissance de la grande importance de la découverte des lois de la dynamique chimique et de la pression osmotique dans les solutions ».

La collaboration entre Vant-Goff et Meyerhoffer, qui a duré dix ans, a été extrêmement fructueuse. Mais en 1905, elle est soudainement interrompue par la grave maladie de Meyerhoffer. Le 21 avril 1906, Meyerhoffer meurt. Vant-Goff a mal vécu la mort de son ami et collaborateur. À cette époque, il commence à se sentir mal : il présente des signes d »une grave maladie pulmonaire, la tuberculose.

Vant-Goff ne voulait pas abandonner. Il était à la recherche d »un nouveau domaine pour une recherche systématique approfondie. A la fin de 1905, il décide de se consacrer à l »étude de l »action synthétique des enzymes. Fort de sa grande expérience en stéréochimie et en recherche sur la pression osmotique, le scientifique souhaitait désormais s »attaquer aux questions de biochimie.

Cependant, une maladie progressive a contrecarré ses intentions. Les recherches planifiées ont dû être interrompues. Ses dernières années ont été assombries par la perte de plusieurs personnes proches de lui – parents et collègues.

Le 15 décembre 1910. Vant-Goff est finalement tombé malade. Ses tentatives de retour au travail quelques semaines plus tard se sont avérées vaines. Il est décédé le 1er mars 1911.

Stéréochimie

Vant-Goff est l »un des fondateurs de la stéréochimie. Son pamphlet « Proposition de représentation spatiale des formules structurelles actuellement utilisées et remarque connexe sur la relation entre la rotativité optique et la constitution chimique des composés organiques », publié en 1874 en néerlandais et traduit ensuite en allemand et en français, a été sévèrement critiqué par les chimistes renommés de l »époque. Avec le temps, cependant, les idées que Vant-Goff exposait dans ce pamphlet se sont répandues.

Vant-Goff a suggéré que l »atome de carbone quadruple pouvait être représenté comme un tétraèdre. Sur la base de cette idée, le scientifique a suggéré que l »apparition de la rotativité optique des molécules pourrait être due à la présence d »un atome de carbone asymétrique (un atome de carbone lié à quatre substituants différents). Cette hypothèse est l »idée la plus importante de la théorie stéréochimique. Par la suite, de nombreuses expériences ont été menées pour confirmer cette idée.

Chimie physique

En 1884, Vant-Goff publie son livre Essais sur la dynamique chimique. La parution de ce livre marque la naissance de la chimie physique elle-même. Vannt-Goff a essentiellement utilisé les principes de la thermodynamique et les méthodes mathématiques pour la première fois dans son traitement des processus chimiques. Lorsqu »il a commencé à travailler sur ce livre, Vant-Goff s »est rendu compte qu »il devait s »appuyer sur les faits isolés, disparates et peu nombreux établis par ses prédécesseurs pour fournir un cadre de base à la description quantitative du processus chimique.

Dans cet ouvrage, Vant-Goff formule le concept de « transformation moléculaire » et, sur la base des idées de la cinétique moléculaire, donne une classification de ces transformations en fonction du nombre de molécules impliquées dans la réaction. Il introduit les concepts de constante de vitesse de réaction, de réactions mono-, di- et trimoléculaires et formule l »importante affirmation suivante : « Le déroulement d »une transformation chimique est caractérisé exclusivement par le nombre de molécules interagissant dans la transformation ».

A l »aide d »exemples concrets de réactions, Vant-Goff identifie les régularités des réactions mono-, bi- et multi-moléculaires et donne les expressions de leurs vitesses sous la forme de la formule bien connue :

dcdt=kcn{displaystyle dcdt=kc^{n}}}

où c{displaystyle c} est la concentration des réactifs, n{displaystyle n} est le nombre de molécules impliquées dans la réaction (n{displaystyle n} = 1 pour monomoléculaire, n{displaystyle n} = 2 pour bimoléculaire, etc.), k{displaystyle k} – est la constante de vitesse de la réaction.

Vant-Goff aborde l »influence de la forme et de la taille des récipients de réaction sur le déroulement des réactions, les moyens de choisir un milieu approprié et l »effet des parois des récipients. Il donne notamment les résultats d »expériences sur l »effet de l »enduction des parois internes de l »appareil (par exemple avec de l »huile). Il donne également un aperçu des moyens et méthodes permettant de déterminer le nombre de molécules impliquées dans la transformation chimique.

Vant-Goff considère également l »effet de la température sur la transformation chimique. En particulier, en utilisant la réaction réversible N2O4↽–⇀2NO2{displaystyle {ce {N2O4 <=> 2 NO2}}} il déduit l »équation bien connue reliant la température aux constantes de vitesse des réactions k′{displaystyle k »} avant et k″{displaystyle k » »} arrière :

dlnk′dT-dlnk″dT=q2T2{displaystyle dln k »dT-dln k » »dT=q2T^{2}}}

où q{{displaystyle q} est le nombre de calories libérées lorsqu »une unité de la seconde substance est convertie en la première substance à un volume constant.

Sur la base des données obtenues, Vant-Goff analyse soigneusement les différents cas d »équilibre chimique. Vannt-Goff note le lien étroit entre les taux de transformation et l »équilibre. Il considère l »équilibre comme le résultat de deux réactions opposées se déroulant à certaines vitesses et parvient à une autre formule importante :

dlnk′dT-dlnk″dT=dlnKdT=q2T2{displaystyle dln k »dT-dln k » »dT=dln KdT=q2T^{2}}

où K=k′k″{displaystyle K=k »k »}. Ce faisant, il relie la constante d »équilibre aux constantes de vitesse de la réaction en avant et en arrière.

En 1886, Vant-Goff a publié un ouvrage intitulé Chemical Equilibrium in Systems of Gases and Dilute Solutions. L »objectif principal de ce travail était de tenter d »établir des angiologies dans les lois décrivant le comportement des systèmes gazeux et des solutions.

Vant-Goff a étudié la relation entre la pression osmotique et d »autres paramètres physico-chimiques. Décrivant l »appareil de Pfeffer et la méthode qu »il propose pour réaliser des cloisons semi-perméables, Vant-Goff avance l »idée importante de la réversibilité des changements de la pression osmotique. En utilisant les notions de cloisons semi-perméables, il a été possible de réaliser des processus circulaires réversibles pour les solutions et d »établir ainsi une analogie entre les gaz et les solutions. Ainsi, il est devenu évident que les lois de l »état gazeux sont également applicables à la description de la pression osmotique dans les solutions diluées.

Vant-Goff a prouvé théoriquement et expérimentalement l »applicabilité des lois de Boyle et de Gay-Lussac et de la formule de Clapeyron aux solutions diluées. Vannt-Goff en a conclu que le principe d »Avogadro est également applicable aux solutions diluées et que les solutions isotoniques doivent être équimoléculaires.

Pour les solutions diluées, Vant-Goff a calculé la valeur de la constante des gaz R{displaystyle R} dans l »équation de Clapeyron. La valeur R{displaystyle R} qu »il a obtenue à partir des mesures de la pression osmotique était proche de la valeur obtenue pour les gaz idéaux. Cependant, dans certains cas (solutions d »acides minéraux et de sels), la valeur de la constante des gaz diffère. Vannt-Goff a donc réécrit l »équation de Clapeyron sous la forme

PV=iRT{displaystyle PV=iRT}

où P{displaystyle P} est la pression ; V{displaystyle V} est le volume ; T{displaystyle T} est la température ; R{displaystyle R} est la constante des gaz, qui a la même valeur que pour les gaz ; i{displaystyle i} est un facteur de correction proche de un et dépendant de la nature de la substance à laquelle l »équation s »applique (VanT-Goff a appelé ce facteur « facteur d »activité »).

De plus, Vant-Goff a montré que

i=5.6mΔ{displaystyle i=5.6mDelta }

où m{displaystyle m} est la masse moléculaire de la substance ; Δ{displaystyle Delta } est la quantité par laquelle la présence de la substance (1 : 100) réduit la pression de vapeur d »eau. Vant-Goff a proposé d »autres moyens de déterminer le coefficient i{displaystyle i}, par exemple par des constantes cryoscopiques ou ébulloscopiques. Ainsi, Vant-Goff a proposé une méthode permettant de déterminer le poids moléculaire d »une substance à partir des propriétés physiques de sa solution.

Équilibre du sel

Avec son ami Wilhelm Meyerhoffer, Vant-Goff a mené des recherches approfondies sur la formation des dépôts de sel de Stassfurth. Ces sédiments sont d »origine marine. L »analyse chimique des dépôts de Stassfurth a montré que leur composition chimique était assez complexe. Ils se composent principalement de chlorures, de sulfates et de borates de sodium, de potassium, de magnésium et de calcium.

Avec Meyerhoff, Vant-Goff a découvert que la température était le principal facteur de formation des dépôts de sel. Dans certains cas, le temps joue également un rôle important. Certaines des transformations effectuées par les chercheurs ont pris plusieurs mois. L »effet de la pression sur la cristallisation des sels à partir de solutions à plusieurs composants s »est avéré négligeable.

Ces études ont permis de montrer que certains minéraux ne pouvaient pas se former à 25°C. Ainsi, les mélanges de kiesérite (MgSO4⋅H2O{displaystyle {ce {MgSO4*H2O}}) et de sylvin (KCl{displaystyle {ce {KCl}}) avec un mélange de chlorure de sodium formé à partir de carnallite (KCl⋅MgCl2⋅6H2O{displaystyle {ce {KCl*MgCl2*6H2O}}) et de kiesérite, ne pouvait être libéré qu »à des températures beaucoup plus élevées. Malgré les doutes sur la possibilité d »un dépôt de sels à des températures supérieures à 70 °C, les comparaisons de la composition des minéraux dans les sédiments ont révélé que leur formation s »est produite dans deux intervalles de température – à 25 °C et 83 °C.

Plusieurs minéraux synthétiques, qu »ils soient ou non contenus dans les sédiments de Stassfurt, ont été obtenus en déterminant les températures de transformation dans ces mélanges complexes.

En 1970, un cratère sur la lune a été nommé d »après Jakob Hendrik van Goff.

Un des minéraux synthétiques que la Vanthoffite, Na5Mg(SO4)4{displaystyle {ce {Na5Mg(SO4)4}}, a été nommé d »après le grand scientifique, Vanthoffite.

Sources