Johannes Diderik Van Der Waals

Gerçek gazların davranışını ve bu gazların sıvı faza yoğunlaşma durumlarını açıklayan, günümüzde de Van der Waals Denklemi olarak bilinen çalışması  sayesinde 1910  yılında Nobel Fizik Ödülü’nü almaya hak kazandı. Adı, gerçek gaz denklemi dışında kararlı moleküllerin arasındaki etkileşimleri açıklayan Van der Waals kuvvetleri, bu kuvvetlerle birbirine küçük moleküler bağlarla bağlı olan Van der Waals molekülleri ve bu moleküllerin büyüklüğünü ifade etmeye yarayan Van der Waals yarıçapı ile de anılır.

1873 yılında ortaya attığı bir tezde, ideal olmayan gerçek gazların varlığını moleküller arası etkileşimlere dayandırdı. İlk hal denklemini, bileşenlerin boşlukta kapladığı sonlu hacimlerinden türeterek tanımladı. Ernst Mach’ın ve Wilhelm Ostwald’ın öncülüğünde 19. yüzyılın sonlarına doğru moleküllerin varlığını reddeden güçlü bir felsefi akım ortaya çıktı. Çünkü moleküler varlık tam olarak kanıtlanmamıştı ve moleküler hipotez dönemin şartlarında gereksiz görülmüştü. Van der Waals’ın ortaya attığı sıvıların moleküler yapılarını gösteren tezi o dönemde çoğu fizikçi tarafından da bu yüzden kabul görmemişti ve bir maddenin sıvı fazıyla buhar fazı kimyasal olarak birbirinden ayrı düşünülüyordu.  Yayımladığı bu tezle moleküller hakkındaki gerçeğin, onların büyüklüklerinin ve çekici güçlerinin anlaşılmasını sağladı. Van der Waals Denklemi sayesinde çok daha yüksek sıcaklıklarda yapılan termodinamik ölçümlerde gazların kritik nokta parametreleri daha hatasız bir şekilde saptanmaya başlandı. Van der Waals’in çalışmalarından önemli ölçüde etkilenen Heike Kamerlingh Onnes, 1908’de sıvı helyumun elde edilmesiyle ilgili düzenlenen bir yarışmanın kazananı oldu, böylece Van der Waals süperiletkenlik kavramının da öncüsü sayılır. 

Hayatı

23 Kasım 1837’de Hollanda’nın Leyden kentinde, marangoz olan babası Jacobus van der Waals ve Elisabeth van der Berg’in on çocuğundan en büyüğü olarak dünyaya geldi. 19. yüzyılda  işçi sınıfının çocuklarına üniversite eğitimini sağlayacak yeterlikte bir ortaokul yoktu. Bunun yerine “ileri ilköğretim” olarak adlandırılan eğitim sistemine sahip bir okulda okudu ve on beş yaşına geldiğinde buradan mezun oldu. Daha sonra bu okulda bi nevi öğretmeninin çırağı oldu ve 1856-1861 yılları arasında baş öğretmen olabilmek için gerekli bütün eğitimleri aldı. 1862’de matematik, fizik ve astronomi derslerini almak için Leiden Üniversitesi’ne katıldı. Klasik dilde eğitim almadığı için bu üniversiteye devamlı öğrenci olarak kaydı alınamadı fakat Leiden Üniversitesi tarafından dışarıdan gelen öğrencilere yılda en fazla dört ders alma hakkı tanınıyordu. Van der Waals o dönemde Hollanda hükümeti tarafından açılan yeni bir ortaokulda fizik ve matematik dersleri vermek istiyordu ve bu yüzden gerekli olan sınavlar için iki yıl boyunca çalıştı. 1865’te Deventer’deki bir ortaokula fizik öğretmeni olarak atandı. 1866’da Lahey’de, Leiden Üniversitesi’ndeki derslerine devam edebilmesine olanak tanıyan bir pozisyon elde etti. 1873 yılında Over de Continuteit van den Gas-en Vloeistoftoestand  (Gaz ve Sıvı Fazların Sürekliliği Üzerine) ismiyle yazdığı teziyle “doktor” ünvanını aldı ve üç yıl sonra kariyerine Amsterdam Üniversitesi’ne fizik profesörü olarak devam etti.

1865’te Anna Magdalena Smit’le evlendi ve bu evliliğinden Anne Madeleine, şair Jacqueline E. van der Waals ve Johanna Diderica isimlerinde üç kızı ve kendi adını verdiği bir oğlu oldu. Eşi 1881’de verem yüzünden öldü. Eşinin ölümüyle yıkılan ve bu yüzden yıllarca hiçbir çalışmada bulunmayan Johannes Diderik van der Waals,  kızı Jacqueline’nin ölümünden bir yıl sonra 8 Mart 1923’te Amsterdam’da öldü.

Torunu Christopher D. Vanderwal, Kaliforniya Üniversitesi Irvine Kampüsü Kimya Bölümü’nde profesör olarak görev yapmaktadır.

Çalışmaları 

Van der Waals’ın ilgi alanı termodinamikti. Rudolf Clausius’un 1857’de yazdığı Über die Art der Bewegung isimli eserinden önemli ölçüde etkilendi. Ayrıca, James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzman ve Willard Gibbs’in makalelerinden de etkilendi. Clausius’un çalışması, 1869 yılında Thomas Andrews’in sıvılardaki kritik sıcaklıkların varlığıyla ilgili deneylerini yeniden gözden geçirmesine yardımcı oldu.  1873’te yazdığı tezinde kritik sıcaklık ve yoğunlaşma olaylarının yarı-nicel tanımını yaptı. Bu tezin ardından Van der Waals Denklemi’ni türetti. Bu denklem sayesinde bir maddenin gaz ve sıvı fazlarının sürekli olarak birbirleri içinde karıştığını gösterdi ve her iki fazın da aynı maddenin doğasına sahip olduğunu kanıtladı. Bu denklemde yalnızca moleküllerin varlığı değil, onların sonlu boyutları ve birbirleriyle etkileşimlerinin olduğu da varsayıldı. O zamanlar moleküller arasında bir etkileşim olduğu kanıtlanmamıştı. Van der Waals’ın çalışmalarından sonra bu etkileşim Van der Waals kuvvetleri olarak anılmaya başlandı.

İkinci büyük keşfi ise bu denklemin, kritik sıcaklığın, basıncın ve hacmin bir fonksiyonu olarak ifade edilişiydi. Böylece bu yeni ve genel form bütün maddeler için uygulanabilir hale geldi. Denklemde yer alan ve bileşikten bağımsız evrensel birer sabit olan a ve b ile bileşiğe özgü sabitler  yer değiştirir.

P: Basınç

V: Hacim

R: Gas Sabiti

T: Sıcaklık

n: Mol sayısı

1890’da The Theory of Binary Solutions in the Archives Néerlandaises  isimli bir tez yayımladı. Denklemi ve Willard Gibbs’in ilk haliyle önermiş olduğu Termodinamiğin İkinci Yasası arasında bir bağlantı kurdu. Gibbs’in, dengede farklı fazlara sahip olan  bir sistemin serbest enerjisini tanımlamak amacıyla  kullandığı Yunan harfi  Ψ (Psi)’yi, Ψ (Psi) yüzeyi olarak adlandırdı ve bunu denkleminin fonksiyonel bir grafik şeklindeki ifadesinde  kullandı.

Kılcallık olayının temeli de 1893’te Van der Waals sayesinde ortaya atıldı.

Ödüller ve Onurlar

• Cambrdige Üniversitesi tarafından “doktor” ünvanı
• Moscow Society of Naturalists’in onur üyesi
• American Philosophical Society’nin onur üyesi
• Institut de France üyesi
• Prussian Academy of Sciences üyesi
• Royal Irish Academy’nin onur üyesi
• Royal Academies for Science and the Arts of Belgium’un ortak üyesi
• Kraliyet Kimya Topluluğu’nun yabancı üyesi
• Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Bilimler Akademisi’nin yabancı üyesi
• Accademia dei Lincei ‘nin yabancı üyesi
• Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences üyesi (1875’ten beri üyesi olduğu bu topluluğun 1896-1912 yılları arasında sekreterliğini de yapmıştır.)