Forskere studerer den historiske udvikling af det periodiske system af kemiske grundstoffer

I 1860'erne præsenterede kemikerne, Lothar Meyer og Dmitri Mendeleev, selvstændigt det første periodiske system. Siden da har det velkendte tabelarrangement af grundstofferne været kemiens ledende princip. Et team af forskere fra Max Planck Institute for Mathematics in the Sciences og det tværfaglige center for bioinformatik ved universitetet i Leipzig tilbyder beregningsmæssige tilgange baseret på omfattende datasæt fra Reaxys kemidatabase, der forklarer udviklingen af ​​de første periodiske systemer. Deres resultater er relevante for både videnskabens historie og den fremtidige udvidelse af kemisk viden.

I en nyligt offentliggjort artikel i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ), ser forskerne tilbage til begyndelsen af ​​det periodiske system, hvis struktur er karakteriseret ved lighed og ordensforhold mellem grundstofferne. Periodiske system opstod fra viden om de eksisterende eller potentielt mulige kemiske grundstoffer og forbindelser kendt på det tidspunkt. Den samlede kombination af disse to komponenter danner det såkaldte kemiske rum. Ordensrelationer blev oprindeligt opstillet baseret på atomvægte og ligheder med hensyn til fællesskab i kemisk sammensætning. Efterhånden som viden om kemiske stoffer voksede gennem videnskabens historie, voksede potentielt mulige periodiske systemer også, påvirket af datidens kemiske rums tilstand. "Vi blev tiltrukket af spørgsmålet om, hvordan udvidelsen af ​​det kemiske rum bidrog til dannelsen af ​​de første periodiske systemer. Man vidste ikke meget om det. Så vi undersøgte især det kemiske rum mellem 1800 og 1869 for at finde ud af, hvor godt det periodiske system svarer til de kemiske data på tidspunktet for formuleringen," beskriver Guillermo Restrepo, projektleder ved Max Planck Institute for Mathematics in the Sciences forskerholdets mål.

Udvidelse af det kemiske rum mellem 1800 og 1869

Deres analyse af viden om det kemiske rum afslørede, at det periodiske system af kemiske grundstoffer konvergerede til en klart synlig grundstruktur allerede i 1840'erne og således allerede var indkodet i rummet omkring to og et halvt årti før dets formulering.

Den første fjerdedel af det 19. århundrede var karakteriseret ved en hurtig opdagelse af kemiske grundstoffer og deres forbindelser, hvilket førte til en ustabil periode med en lang række periodiske tabeller, hvoraf kun få bestod tidens prøve. I 1826 blev opdagelsen af ​​grundstoffer langsommere, hvilket gav kemikere mulighed for yderligere at udforske kendte stoffers egenskaber og opdage forbindelser, der havde nye valenser og dermed nye ligheder blandt kendte kemiske grundstoffer. Disse opdagelser varede ved i årevis og gav konsolidering af det kemiske rum og dermed ret stabile periodiske systemer. Mellem 1835 og 1845 fortsatte systemet med at nærme sig sin grundlæggende struktur, som endelig blev afsløret i 1860'erne.

Konsekvensen af ​​organisk kemi

Wilmer Leal, ph.d.-studerende ved Max Planck Institute og University of Leipzig, beskriver den essentielle rolle af organisk kemi i formuleringen af ​​det periodiske system:"Opkomsten af ​​organisk kemi i 1830'erne spillede en nøglerolle i at lette anerkendelsen af ​​ligheder mellem grundstoffer, der er massivt repræsenteret i det kemiske rum, såsom oxygen, brint, kulstof, nitrogen og svovl, og mellem metaller, der ofte forbindes med organiske forbindelser, såsom natrium, kalium, palladium, platin, barium og calcium. Samtidig tid tilslørede overfloden af ​​organiske forbindelser identifikationen af ​​ligheder mellem metaller, som er dårligt repræsenteret i det organiske rum."

Med hensyn til Lothar Meyers og Dmitri Mendeleevs periodiske systemer kunne begge kemikere allerede på det tidspunkt stole på et modent kemisk rum og et ganske stabilt sæt atomvægte. De systemer, de formulerede, var således stort set i overensstemmelse med andre periodiske systemer, som ville have været mulige på det tidspunkt, ifølge beregningsanalysen.

Beregningsmæssig rekonstruktion af kemisk rum ud fra atomvægte

For at replikere det kemiske rum før 1869 og redegøre for rollen af ​​atomvægte kendt i det 19. århundrede, brugte forskerne Reaxys kemidatabase og introducerede på baggrund af dens omfattende information en algoritme til at justere det kemiske rum til forskellige vægtsæt. Dette gør det muligt at konvertere nuværende kemiske formler, så de passer til ethvert system af atomvægte. Den tillader tilnærmelser til det kemiske rum kendt af fortidens kemikere og estimerer tidens resulterende periodiske systemer.

Ved at analysere de forskellige periodiske systemer, der er formuleret over tid, afslørede forskerne, at deres struktur hovedsageligt var bestemt af lighederne mellem de kemiske grundstoffer og mindre af deres rækkefølge baseret på atomvægte. "At måle disse ligheder var den sværeste del for os, og resultaterne var ret overraskende. Det blev tidligere antaget, at periodiske systemer kun kunne formuleres, hvis der blev givet et stabilt system af atomvægte. Men vi var i stand til at påvise, at selv de ustabile vægte rapporteret før 1860 producerede ret stabile periodiske systemer", siger Peter Stadler, professor ved det tværfaglige center for bioinformatik ved universitetet i Leipzig.

Anmeld med vision

Metoden præsenteret i papiret til at formulere et periodisk system for et givet kemisk rum er ikke begrænset til fortiden, men kan også anvendes til alle mulige miljøer, såsom studiet af kemiske rum genereret under ekstreme tryk- og temperaturforhold. Implementeringen af ​​denne metode kunne give et omfattende billede af kemi i realtid, hvilket også ville have konsekvenser for undervisningen og feltets fremtid. Selvom deres tilgang er mere beregningsorienteret end historisk, håber forskerne, at den kan supplere andre værktøjer i kemiens historie og bidrage til at fremme kemisk viden. + Udforsk yderligere

Den skjulte struktur af det periodiske system