På 1860-talet presenterade kemisterna, Lothar Meyer och Dmitri Mendeleev, oberoende av varandra det första periodiska systemet. Sedan dess har det välkända tabellarrangemanget av elementen varit den vägledande principen för kemin. Ett team av forskare från Max Planck Institute for Mathematics in the Sciences och Interdisciplinary Centre for Bioinformatics vid universitetet i Leipzig tillhandahåller beräkningsmetoder baserade på omfattande datamängder från Reaxys kemidatabas som förklarar utvecklingen av de första periodiska systemen. Deras resultat är relevanta för både vetenskapens historia och den framtida expansionen av kemisk kunskap.

I en nyligen publicerad artikel i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ), ser forskarna tillbaka till början av det periodiska systemet, vars struktur kännetecknas av likheter och ordningsförhållanden mellan elementen. Periodiska system uppstod från kunskapen om befintliga eller potentiellt möjliga kemiska grundämnen och föreningar som var kända vid den tiden. Den totala kombinationen av dessa två komponenter bildar det så kallade kemiska rummet. Ordningsförhållanden sattes till en början upp utifrån atomvikter och likheter vad gäller gemensamhet i kemisk sammansättning. I takt med att kunskapen om kemiska ämnen växte genom vetenskapens historia, så växte även potentiellt möjliga periodiska system, påverkade av tillståndet i den tidens kemiska rum. "Vi lockades av frågan om hur expansionen av kemiskt utrymme bidrog till bildandet av de första periodiska systemen. Lite var känt om det. Så vi undersökte särskilt det kemiska utrymmet mellan 1800 och 1869 för att upptäcka hur väl det periodiska systemet motsvarar de kemiska uppgifterna vid tidpunkten för dess formulering," beskriver Guillermo Restrepo, projektledare vid Max Planck Institute for Mathematics in the Sciences forskargruppens mål.

Utvidgning av det kemiska utrymmet mellan 1800 och 1869

Deras analys av kunskapen om det kemiska rymden avslöjade att det periodiska systemet för kemiska grundämnen konvergerade till en tydligt synlig grundstruktur redan på 1840-talet, och var således redan kodad i rymden ungefär två och ett halvt decennier innan dess formulering.

Det första kvartalet av 1800-talet kännetecknades av en snabb upptäckt av kemiska grundämnen och deras föreningar, vilket ledde till en instabil period med en mängd olika periodiska system, av vilka endast ett fåtal stod sig över tiden. År 1826 saktade upptäckten av grundämnen ner, vilket gjorde det möjligt för kemister att ytterligare utforska egenskaperna hos kända ämnen och upptäcka föreningar som hade nya valenser och därmed nya likheter mellan kända kemiska grundämnen. Dessa upptäckter höll i sig i åratal och gav konsolidering av det kemiska utrymmet och därmed ganska stabila periodiska system. Mellan 1835 och 1845 fortsatte systemet att närma sig sin grundläggande struktur, vilket slutligen avslöjades på 1860-talet.

Inverkan av organisk kemi

Wilmer Leal, doktorand vid Max Planck-institutet och universitetet i Leipzig, beskriver den väsentliga rollen av organisk kemi i utformningen av det periodiska systemet:"Uppkomsten av organisk kemi på 1830-talet spelade en nyckelroll i att underlätta erkännandet av likheter mellan grundämnen som är massivt representerade i det kemiska rummet, såsom syre, väte, kol, kväve och svavel, och mellan metaller som ofta förknippas med organiska föreningar, såsom natrium, kalium, palladium, platina, barium och kalcium. tid, överflöd av organiska föreningar fördunklade identifieringen av likheter mellan metaller som är dåligt representerade i det organiska rummet."

När det gäller Lothar Meyers och Dmitri Mendeleevs periodiska system kunde båda kemisterna redan vid den tiden förlita sig på ett moget kemiskt utrymme och en ganska stabil uppsättning atomvikter. Systemen de formulerade var alltså i stort sett överensstämmande med andra periodiska system som skulle ha varit möjliga vid den tiden, enligt beräkningsanalysen.

Beräkningsrekonstruktion av kemiskt utrymme från atomvikter

För att replikera det kemiska utrymmet före 1869 och redogöra för atomvikternas roll kända på 1800-talet använde forskarna Reaxys kemidatabas och, baserat på dess omfattande information, introducerade de en algoritm för att justera det kemiska utrymmet till olika uppsättningar av vikter. Detta gör att nuvarande kemiska formler kan konverteras för att passa alla system av atomvikter. Den tillåter approximationer av det kemiska utrymmet som kemister från det förflutna känner till och uppskattar de resulterande periodiska systemen för tiden.

Genom att analysera de olika periodiska systemen som formulerats över tiden, avslöjade forskarna att deras struktur främst bestämdes av likheterna mellan de kemiska elementen och mindre av deras ordning baserat på atomvikter. "Att mäta dessa likheter var den svåraste delen för oss, och resultaten var ganska överraskande. Tidigare antogs att periodiska system bara kunde formuleras om ett stabilt system av atomvikter gavs. Vi kunde dock visa att även de instabila vikter rapporterade före 1860 gav ganska stabila periodiska system", säger Peter Stadler, professor vid Interdisciplinary Center for Bioinformatics vid universitetet i Leipzig.

Recension med vision

Metoden som presenteras i artikeln för att formulera ett periodiskt system för ett givet kemiskt utrymme är inte begränsat till det förflutna utan kan också tillämpas på alla möjliga miljöer, såsom studiet av kemiska utrymmen som genereras under extrema tryck- och temperaturförhållanden. Implementeringen av denna metod skulle kunna ge en heltäckande bild av kemi i realtid, vilket också skulle få konsekvenser för undervisningen och områdets framtid. Även om deras tillvägagångssätt är mer beräkningsmässigt än historiskt, hoppas forskarna att det kan komplettera andra verktyg i kemins historia och bidra till att främja kemisk kunskap. + Utforska vidare

Det periodiska systemets dolda struktur