Spazio chimico e sistema periodico degli elementi chimici. Credito:Thomas Endler / Istituto Max Planck per la matematica nelle scienze
Negli anni '60 dell'Ottocento, i chimici Lothar Meyer e Dmitri Mendeleev presentarono indipendentemente il primo sistema periodico. Da allora, la ben nota disposizione tabulare degli elementi è stata il principio guida della chimica. Un team di ricercatori del Max Planck Institute for Mathematics in the Sciences e del Centro interdisciplinare di bioinformatica dell'Università di Lipsia fornisce approcci computazionali basati su ampi set di dati del database di chimica Reaxys che spiegano lo sviluppo dei primi sistemi periodici. I loro risultati sono rilevanti sia per la storia della scienza che per la futura espansione delle conoscenze chimiche.
In un articolo pubblicato di recente negli Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze (PNAS ), gli scienziati ripercorrono gli inizi del sistema periodico, la cui struttura è caratterizzata da relazioni di somiglianza e ordine tra gli elementi. Le tavole periodiche nascevano dalla conoscenza degli elementi e dei composti chimici esistenti o potenzialmente possibili allora conosciuti. La combinazione totale di questi due componenti forma il cosiddetto spazio chimico. Le relazioni di ordine furono inizialmente stabilite sulla base di pesi atomici e somiglianze in termini di comunanza nella composizione chimica. Man mano che la conoscenza delle sostanze chimiche cresceva nel corso della storia della scienza, crescevano anche i sistemi periodici potenzialmente possibili, influenzati dallo stato dello spazio chimico del tempo. "Siamo stati attratti dalla domanda su come l'espansione dello spazio chimico abbia contribuito alla formazione dei primi sistemi periodici. Di questo si sapeva poco. Quindi, abbiamo studiato in particolare lo spazio chimico tra il 1800 e il 1869 per scoprire quanto bene la tavola periodica corrisponde ai dati chimici al momento della sua formulazione", Guillermo Restrepo, Project leader presso il Max Planck Institute for Mathematics in the Sciences descrive l'obiettivo del team di ricerca.
Espansione dello spazio chimico tra il 1800 e il 1869
La loro analisi della conoscenza dello spazio chimico ha rivelato che la tavola periodica degli elementi chimici convergeva a una struttura di base ben visibile già negli anni '40 dell'Ottocento, ed era quindi già codificata nello spazio circa due decenni e mezzo prima della sua formulazione.
Il primo quarto del XIX secolo fu caratterizzato da una rapida scoperta di elementi chimici e loro composti, che portò a un periodo instabile con un'ampia varietà di tavole periodiche, solo poche delle quali resistettero alla prova del tempo. Nel 1826, la scoperta degli elementi rallentò, consentendo ai chimici di esplorare ulteriormente le proprietà di sostanze conosciute e scoprire composti che avevano nuove valenze e quindi nuove somiglianze tra elementi chimici conosciuti. Queste scoperte persistettero per anni e fornirono il consolidamento dello spazio chimico e quindi sistemi periodici abbastanza stabili. Tra il 1835 e il 1845, il sistema continuò ad avvicinarsi alla sua struttura di base, che fu finalmente rivelata negli anni '60 dell'Ottocento.
Somiglianza tra sistemi di elementi chimici confrontati nel tempo, con una forte stabilizzazione della somiglianza evidente dopo il 1826. Credit:Wilmer Leal
Impatto della chimica organica
Wilmer Leal, dottorando presso l'Istituto Max Planck e l'Università di Lipsia, descrive il ruolo essenziale della chimica organica nella formulazione del sistema periodico:"L'ascesa della chimica organica negli anni '30 dell'Ottocento ha svolto un ruolo chiave nel facilitare il riconoscimento delle somiglianze tra elementi che sono massicciamente rappresentati nello spazio chimico, come ossigeno, idrogeno, carbonio, azoto e zolfo, e tra metalli spesso associati a composti organici, come sodio, potassio, palladio, platino, bario e calcio. tempo, la pletora di composti organici ha oscurato l'identificazione di somiglianze tra metalli che sono scarsamente rappresentati nello spazio organico."
Per quanto riguarda i sistemi periodici di Lothar Meyer e Dmitri Mendeleev, entrambi i chimici potevano già fare affidamento su uno spazio chimico maturo e su un insieme abbastanza stabile di pesi atomici in quel momento. I sistemi che hanno formulato erano quindi ampiamente coerenti con altri sistemi periodici che sarebbero stati possibili all'epoca, secondo l'analisi computazionale.
Ricostruzione computazionale dello spazio chimico da pesi atomici
Per replicare lo spazio chimico prima del 1869 e tenere conto del ruolo dei pesi atomici conosciuti nel 19° secolo, i ricercatori hanno utilizzato il database di chimica Reaxys e, sulla base delle sue ampie informazioni, hanno introdotto un algoritmo per adattare lo spazio chimico a diversi insiemi di pesi. Ciò consente di convertire le formule chimiche attuali per adattarsi a qualsiasi sistema di pesi atomici. Consente approssimazioni allo spazio chimico noto ai chimici del passato e stima i sistemi periodici risultanti del tempo.
Analizzando i vari sistemi periodici formulati nel tempo, gli scienziati hanno rivelato che la loro struttura era determinata principalmente dalle somiglianze tra gli elementi chimici e meno dal loro ordine basato sui pesi atomici. "Misurare queste somiglianze è stata la parte più difficile per noi e i risultati sono stati piuttosto sorprendenti. In precedenza si presumeva che i sistemi periodici potessero essere formulati solo se fosse stato fornito un sistema stabile di pesi atomici. Tuttavia, siamo stati in grado di dimostrare che anche l'instabile i pesi riportati prima del 1860 producevano sistemi periodici abbastanza stabili", afferma Peter Stadler, professore presso il Centro interdisciplinare di bioinformatica dell'Università di Lipsia.
Recensione con visione
Il metodo presentato nell'articolo per formulare un sistema periodico per un dato spazio chimico non è limitato al passato ma può essere applicato anche a tutti i possibili ambienti, come lo studio degli spazi chimici generati in condizioni di pressione e temperatura estreme. L'implementazione di questo metodo potrebbe fornire un quadro completo della chimica in tempo reale, che avrebbe anche implicazioni per l'insegnamento e il futuro del campo. Sebbene il loro approccio sia più computazionale che storico, gli scienziati sperano che possa integrare altri strumenti nella storia della chimica e contribuire al progresso delle conoscenze chimiche. + Esplora ulteriormente
