In de jaren 1860 presenteerden de chemici, Lothar Meyer en Dmitri Mendeleev, onafhankelijk het eerste periodieke systeem. Sindsdien is de bekende tabelvorm van de elementen het leidende principe van de chemie. Een team van onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Wiskunde in de Wetenschappen en het Interdisciplinair Centrum voor Bioinformatica aan de Universiteit van Leipzig biedt computationele benaderingen op basis van uitgebreide datasets uit de Reaxys-chemiedatabase die de ontwikkeling van de eerste periodieke systemen verklaren. Hun resultaten zijn relevant voor zowel de geschiedenis van de wetenschap als de toekomstige uitbreiding van chemische kennis.

In een recent gepubliceerd artikel in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ), kijken de wetenschappers terug naar het begin van het periodiek systeem, waarvan de structuur wordt gekenmerkt door gelijkenis en ordeverhoudingen tussen de elementen. Periodieke tabellen zijn ontstaan ​​uit de kennis van de op dat moment bekende of potentieel mogelijke chemische elementen en verbindingen. De totale combinatie van deze twee componenten vormt de zogenaamde chemische ruimte. Orderrelaties werden aanvankelijk opgezet op basis van atoomgewichten en overeenkomsten in termen van gemeenschappelijkheid in chemische samenstelling. Naarmate de kennis van chemische stoffen door de geschiedenis van de wetenschap groeide, namen ook potentieel mogelijke periodieke systemen toe, beïnvloed door de toestand van de chemische ruimte van die tijd. "We werden aangetrokken door de vraag hoe de uitbreiding van de chemische ruimte bijdroeg aan de vorming van de eerste periodieke systemen. Daar was weinig over bekend. Dus hebben we met name de chemische ruimte tussen 1800 en 1869 onderzocht om te ontdekken hoe goed het periodiek systeem komt overeen met de chemische gegevens op het moment van formulering", beschrijft Guillermo Restrepo, projectleider bij het Max Planck Instituut voor Wiskunde in de Wetenschappen, de doelstelling van het onderzoeksteam.

Uitbreiding van de chemische ruimte tussen 1800 en 1869

Hun analyse van de kennis van de chemische ruimte onthulde dat het periodiek systeem van chemische elementen al in de jaren 1840 convergeerde tot een duidelijk zichtbare basisstructuur en dus al ongeveer twee en een half decennium vóór zijn formulering in de ruimte was gecodeerd.

Het eerste kwart van de 19e eeuw werd gekenmerkt door een snelle ontdekking van chemische elementen en hun verbindingen, wat leidde tot een onstabiele periode met een grote verscheidenheid aan periodieke tabellen, waarvan er slechts enkele de tand des tijds doorstonden. In 1826 vertraagde de ontdekking van elementen, waardoor chemici de eigenschappen van bekende stoffen verder konden onderzoeken en verbindingen konden ontdekken met nieuwe valenties en dus nieuwe overeenkomsten tussen bekende chemische elementen. Deze ontdekkingen hielden jarenlang stand en zorgden voor consolidatie van de chemische ruimte en dus voor redelijk stabiele periodieke systemen. Tussen 1835 en 1845 bleef het systeem zijn basisstructuur benaderen, die uiteindelijk in de jaren 1860 werd onthuld.

Impact van organische chemie

Wilmer Leal, doctoraalstudent aan het Max Planck Instituut en de Universiteit van Leipzig, beschrijft de essentiële rol van organische chemie bij de formulering van het periodiek systeem:"De opkomst van de organische chemie in de jaren 1830 speelde een sleutelrol bij het vergemakkelijken van de herkenning van overeenkomsten tussen elementen die massaal vertegenwoordigd zijn in de chemische ruimte, zoals zuurstof, waterstof, koolstof, stikstof en zwavel, en tussen metalen die vaak worden geassocieerd met organische verbindingen, zoals natrium, kalium, palladium, platina, barium en calcium. tijd vertroebelde de overvloed aan organische verbindingen de identificatie van overeenkomsten tussen metalen die slecht vertegenwoordigd zijn in de organische ruimte."

Wat betreft de periodieke systemen van Lothar Meyer en Dmitri Mendelejev, beide chemici konden toen al vertrouwen op een volwassen chemische ruimte en een vrij stabiele reeks atoomgewichten. De systemen die ze formuleerden, kwamen dus grotendeels overeen met andere periodieke systemen die op dat moment mogelijk zouden zijn geweest, volgens de computationele analyse.

Computationele reconstructie van chemische ruimte op basis van atoomgewichten

Om de chemische ruimte van vóór 1869 te repliceren en rekening te houden met de rol van atoomgewichten die bekend waren in de 19e eeuw, gebruikten de onderzoekers de Reaxys-chemiedatabase en introduceerden ze, op basis van de uitgebreide informatie, een algoritme om de chemische ruimte aan te passen aan verschillende sets van gewichten. Hierdoor kunnen huidige chemische formules worden omgezet in elk systeem van atoomgewichten. Het maakt benaderingen mogelijk van de chemische ruimte die chemici uit het verleden kenden en schat de resulterende periodieke systemen van die tijd.

Bij het analyseren van de verschillende periodieke systemen die in de loop van de tijd zijn geformuleerd, onthulden de wetenschappers dat hun structuur voornamelijk werd bepaald door de overeenkomsten tussen de chemische elementen en minder door hun volgorde op basis van atoomgewichten. "Het meten van deze overeenkomsten was het moeilijkste voor ons, en de resultaten waren behoorlijk verrassend. Eerder werd aangenomen dat periodieke systemen alleen konden worden geformuleerd als er een stabiel systeem van atoomgewichten werd gegeven. We konden echter aantonen dat zelfs de onstabiele gewichten gerapporteerd vóór 1860 produceerden vrij stabiele periodieke systemen", zegt Peter Stadler, professor aan het Interdisciplinair Centrum voor Bioinformatica aan de Universiteit van Leipzig.

Review met visie

De methode die in het artikel wordt gepresenteerd om een ​​periodiek systeem voor een bepaalde chemische ruimte te formuleren, is niet beperkt tot het verleden, maar kan ook worden toegepast op alle mogelijke omgevingen, zoals de studie van chemische ruimten die worden gegenereerd onder extreme druk- en temperatuuromstandigheden. De implementatie van deze methode zou een alomvattend beeld van scheikunde in realtime kunnen opleveren, wat ook gevolgen zou hebben voor het onderwijs en de toekomst van het vakgebied. Hoewel hun benadering meer computationeel dan historisch is, hopen de wetenschappers dat het andere instrumenten in de geschiedenis van de chemie kan aanvullen en kan bijdragen aan de vooruitgang van chemische kennis. + Verder verkennen

De verborgen structuur van het periodiek systeem