وانتهوف : بنیانگذار شیمی – فیزیک

نخستین جایزه نوبل شیمی در سال 1901 میلادی به یاکوبس وانتهوف Jacobus Henricus van ‘t Hoff، دانشمند هلندی، که در شهر برلن سرگرم پژوهش بود، داده شد. در آن روزگار، او را بزرگترین شیمی – فیزیکدان زنده توصیف می‌کردند، اما در روزگار ما، برخی از نظریه‌هایی که وانتهوف به خاطر آنها به شهرت رسیده بود، اهمیت خود را از دست داده و برخی دیگر نیز با نظریه‌ها و اصول جامع‌تر و فراگیرتر آمیخته‌اند و دیگر نشانی از نخستین آورنده‌شان را بسا خود ندارند.

در این زندگینامه کوتاه می‌خواهیم برخی دستاوردهای وانتهوف را بیان کنیم و رابطه میان آنها را با سایر ایده‌های مهم شیمی، که در سده نوزدهم شکوفا شدند، روشن سازیم.

وانتهوف که دوستانش او را هنری می‌خواندند، در 30 اوت 1852 در شهر روتردام به دنیا آمد. او سومین فرزند از هفت فرزند خانواده‌اش بود. پدرش به طبابت اشتغال داشت و می‌توانست زندگی راحت و سرشار از جاذبه‌های روشنفکری را برای خانواده‌اش فراهم سازد. هنری پیش از رسیدن به سن 17 سالگی، دبیرستان را به پایان رسانید و در طی سه سال بعدی، مدرسه پلی‌تکنیک دلفت را با احراز رتبه اول به پایان برد.

تجربه دانشگاهی او، چنانچه رسم آن روزگار بود، در چند دانشگاه به دست آمد. سال نخست را در لندن به آموختن ریاضیات پرداخت؛ سال دوم را در بن و در آزمایشگاه ککوله به آموختن نظریه و عملیات تجربی شیمی آلی گذراند؛ در سال سوم، به تشویق ککوله، نزد ورتز، استاد پیشین ککوله رفت. در طی همان سال سوم، برای شرکت در آزمون دوره دکتری شیمی به اوترخت بازگشت. در سال 1874 نخستین مقاله علمی‌اش را در هلند نوشت و سپس به کار شبانه‌روزی بر روی رساله دکترایش که در زمینه شیمی آلی بود پرداخت و تا پایان سال، موفق به دفاع از رساله‌اش گردید.

به‌رغم این توانایی‌های شگرف علمی، وانتهوف در پیدا کردن کار با مشکلات فراوانی روبه‌رو گردید. دو سال طول کشید تا شغل مدرسی فیزیک در مدرسه دندانپزشکی اوترخت را به دست آورد. سال بعد به عنوان مدرس شیمی در دانشگاه آمستردام استخدام شد و مدت 18 سال در آنجا ماند و سرانجام به ریاست بخش شیمی رسید.

نخستین مقاله وانتهوف که در سال 1874 منتشر گردید، سرآغاز عصر نوینی در شیمی به شمار می‌رود. در این مقاله برای نخستین بار توجه شیمیدان‌ها به شکل سه بعدی مولکول‌ها جلب گردید. باید به بخاطر بیاوریم که مفهوم ظرفیت عناصر، به ویژه آن‌سان که در مورد ترکیبات شیمی آلی و شیمی آلی فلزی اعمال می‌گردد، تنها پس از انتشار مقاله‌های ککوله و کوپر در سال 1858 روشن شده بود. اساس این نظریه بر چهار ظرفیتی بودن کربن و توانایی آن برای پیوند با سایر اتم‌های کربن و تشکیل زنجیرها، استوار بود. پس از انتشار مقاله‌های کوپر، شیمیدان‌ها تلاش کردند تا ترکیبات آلی را با فرمول ساختاری نشان دهند و از آن پس توانستند ترکیبات ایزومر (همپار) را با شکل‌های روشن و گویا از همدیگر متمایز سازند. اما این شیوه رسم و نمایش مولکول‌ها، هنوز نمی‌توانست ایزومرهایی را که نخستین بار توسط لویی پاستور در سال 1848 شناسانی شده بودند، تبیین کند. همچنین، راز همپارهای اسید لاکتیک که در سال 1872 به وسیله ویسلی سنوس کشف گردیده بودند، همچنان ناگشوده باقی مانده بود. وانتهوف، با استفاده از ژرف‌نگری که حاصل مطالعه گسترده او در ریاضیات بود، پیشنهاد کرد که پیوندهای ظرفیتی اتم کربن به روی گوشه‌های یک چهار رویه منتظم قرار گرفته‌اند.

با این شیوه نمایش سه بعدی اتم کربن، او می‌توانست نمایش ایزومری فضایی را امکانپذیر کند. بدین ترتیب، نه تنها مولکول‌های کایرال (در آنها اتم کربن به چهار اتم با گروه متفاوت متصل است)، بلکه ایزومری سیس-ترانس نیز که تا آن زمان توضیح ناپذیر می‌نمود، در پرتو دستاوردهای وانتهوف، تبیین گردید. دو ماه پس از انتشار مقاله وانتهوف، مقاله دیگری که کم و بیش بیانگر همان ایده بود توسط لی‌بل، که سال پیش در پاریس همکلاس وانتهوف بود، منتشر شد و هنوز دلیلی درباره اینکه این دو نفر درباره این مسئله با همدیگر گفتگو کرده باشند در دست نیست، و این یکی از موارد نادر در تاریخ کشفیات علم شیمی است که یک مسئله به طور همزمان، اما مستقل از همدیگر، در دو جای متفاوت کشف می‌شود.

با استخدام در آمستردام، وانتهوف به انجام بررسی‌های تجربی در شیمی آلی پرداخت. اما به زودی توجه خود را به مطالعه جنبه‌های فیزیکی واکنش‌های آلی، که معمولاً واکنش‌هایی تعادلی (ناکافی) هستند، معطوف کرد. به عبارت دیگر سرگرم بررسی سینتیک و تعادل واکنش‌ها گردید. در سال‌های 1850 تا 1866، چند بررسی در مورد سرعت واکنش‌ها منتشر شده بود، دو دانشمند نروژی (گولدبرگ و واگ) بین سال‌های 1864 و 1867 براساس این پژوهش‌ها به بیان قانون اثر جرم به عنوان یک اصل بنیادی سینتیک شیمیائی توفیق یافتند. بخش عمده‌ای از کار این پژوهشگران به مطالعه کشش شیمیائی و تعادل‌ها مربوط می‌شد.

به علت جدایی جغرافیایی و شیوه‌ای که برای انتشار این پژوهش‌ها برگزیده شده بود، کار این دانشوران نروژی تا سال 1879 در اروپا ناشناخته ماند. در همین احوال، در سال 1884، در یک بررسی جامع زیرعنوان “پویائی شیمیائی”، اساس سیستمی را استوار ساخت که از آن زمان تاکنون، مطالعه سینتیک واکنش‌ها بر آن استوار است.

وانتهوف، با سنجش سرعت در آزمایش‌های کنترل شده، توانست سرعت واکنش را تعریف کند و از آنجا ترتیب رخدادهایی را که “مکانیسم” واکنش نام دارند، استنتاج نماید.

با برخورد دقیق و روشن به موضوع سینتیک شیمیائی و عوامل مؤثر در سرعت یک واکنش؛ با تکوین روش‌های تجربی بررسی سرعت واکنش‌ها و با بررسی اثر دما بر سرعت واکنش‌ها و شرایط تعادل در سیستم‌های همگن و ناهمگن، وانتهوف توانت دینامیک شیمیائی را برای شیمیدانان روشن سازد و علاقه همگان را به قلمرو جدیدی از دانش شیمی جلب کند.

در سال 1885، در مقاله مهمی با عنوان “قانون‌های تعادل در گازهای رقیق …”، وانتهوف توانست برخی خصلت‌های فشار اسمزی محلول‌های آبی را مورد بررسی قرار دهد. ویلهم ففر، گیاه‌شناس آلمانی، در سال 1877 نشان داده بود که فشار اسمزی محلول‌های قند و سایر مواد با غلظت آنها متناسب است و با افزایش دما بالا می‌رود. با استفاده از داده‌های منتشر شده ففر و دیگران، وانتهوف نشان داد که فشار اسمزی محلول‌های رقیق موادی که امروزه آنها را غیر الکترولیت می‌نامند، از معادله گازهای ایده‌آل قابل استنتاج است، و به این باور رسید که میان گازها و مواد حل شده شباهت‌های بنیادی وجود دارد و به همین دلیل برخی رابطه‌های ترمودینامیکی را که برای گازها به دست آمده بودند به محلول‌ها اعمال نمود. برای مثال، با استفاده از قانون آووگادرو به این نتیجه رسید که محلول‌های دارای فشار اسمزی یکسان دارای غلظت مولی یکسان هستند. با استدلال از چرخه‌های ترمودینامیکی نشان داد که محلول‌های با فشار اسمزی یکسان دارای فشار بخار یکسان هستند و نقطه ذوب را به یک اندازه کاهش می‌دهند. این دستاورد منجر به تکوین روش تعیین جرم‌های مولی شد. الکترولیت‌ها از رابطه گازهای ایده‌آل پیروی نمی‌کردند، ولی وانتهوف با در نظر گرفتن ضرایب تصحیح کننده که به نوع ماده موردنظر و غلظت آن بستگی داشت، توانست مشکل را حل کند. به خاطر همین بخش از پژوهش‌های وانتهوف و کارائی او در زمینه ترمودینامیک شیمیائی، جایزه نوبل شیمی به او داده شد.

وانتهوف در سال 1896 به دعوت آکادمی علوم پروس سمت استادی دانشگاه برلن را پذیرفت. در آنجا، بیشتر اوقات خود را صرف نو بلور کردن نمک‌ها از محلول‌های شامل چند نمک کرد. هدف او استفاده از قائده فازهای ویلارد گیبس در مسائل زمین شیمیائی برای پی بردن به خاستگاه و ترکیب نمک‌ها و بسترهای قلیا بود.

در روزگار وانتهوف، دانش شیمی و شیوه تفکر شیمیدان‌ها درباره ماده و واکنش‌ها، دستخوض دگرگونی‌های شگرفی شد. وانتهوف، یکی از پیشگامان این دگرگونی بود. به گفته خودش، هنگامی که در روتردام به مدرسه می‌رفت، گروهی معتقد بودند فرمول آب HO است و گروهی دیگر احتمال می‌دادند که فرمول آن H2O باشد. وانتهوف از دانش عمیق خود در رشته ریاضی برای گشودن دشواری‌های شیمی بهره گرفت. او توانست مفهوم ایده‌های ترمودینامیکی را درک کند و آنها را در مورد فرآیندهای شیمی به کار ببندد و از این رهگذر، قوانین کیفی حاکم بر سرعت واکنش‌ها را تبیین کند و همچنین اثر دما را بر روی این واکنش‌ها و بر روی پایاهای تعادل، مورد بررسی قرار داد.

وانتهوف، در استفاده از ریاضیات برای تفسیر و تبیین مشاهدات شیمی، بیش از همه تحت تأثیر ریاضیدان و فیلسوف شهیر فرانسوی اگوست کنت بود؛ که از 19 سالگی با آثار او آشنایی پیدا کرده بود؛ ظاهراً، وانتهوف در کارهای تجربی شیمی و همچنین در تدریس این علم، وضع درخشانی نداشته است. اما، از قدرت تخیل شگرفی برخوردار بود و با استفاده از همین توانست در فرمول‌بندی راه‌حل‌های علمی برای مسائل شیمی توفیق پیدا کند. هنگامی که 23 سال از عمرش می‌گذشت، تقاضایش برای آموزگاری مدرسه‌ای در شهر بردا رد شد؛ مدیر مدرسه در گزارشی به مقام بالاتر، در مورد مصاحبه با وانتهوف نوشته بود: این آقا، یک فرد رؤیایی است.”

وانتهوف با سوانت آرنیوس سوئدی و با ویلهلم اسوالد آلمانی، تماس داشت. پژوهش‌های علمی این سه نفر، راهگشای شاخه جدیدی از شیمی، یعنی شیمی – فیزیک شد، که به جای گردآوری و توصیف واقعیت‌های تجربی (سنتزوخواس مواد)، به بررسی اصول بنیادی حاکم بر فرآیندهای شیمیائی (به ویژه تعادل و سرعت واکنش‌ها) می‌پرداخت. اسوالد و وانتهوف، مجله جدیدی به نام مجله شیمی – فیزیک برای انتشار مقاله در این زمینه جدید، بنیان‌گذاری کردند.

وانتهوف شخصیت گیرا و گرمی داشت که احترام دانشجویان و همکارانش را به او جلب می‌کرد. در توصیف او گفته شده است: “مردی مهربان، ساده و آرام و خودمانی” بود. هنگامی که در سن جوانی، مقاله دوران‌ساز او در مورد ساختار چهار رویه کربن، در ترکیبات سیر شده، منتشر گردید، دانشمندان پیر، ولی با نفوذ، از جمله هرمان کولبی شیمیدان بزرگ آلمانی، شدیداً او را مورد حمله قرار دادند. اما، نکته‌سنجی و شوخ‌طلبی وانتهوف، این وضعیت دشوار را به سود او دگرگون ساخت. این خصلت‌های مثبت او، همراه با پژوهش‌های ژرف و دگرگون‌ساز او در شیمی سبب گردید که نخستین جایزه نوبل شیمی را دریافت دارد. وانتهوف در سال 1911، در سن 59 سالگی در اثر بیماری سل در شهر برلن درگذشت.

مأخذ:

W. A. E. McBryde, Journal of Chemical Education. Vol. 64, July 1987.

مجله دانشمند – تیر 1367

نوشته مک براید

ترجمه دکتر عیسی یاوری