Ιστορία της χημείας

Η ιστορία της χημείας περιλαμβάνει ένα μεγάλο χρονικό διάστημα που φθάνει από την αρχαία ιστορία μέχρι σήμερα. Ήδη από το 1000 π.Χ. οι αρχαίοι πολιτισμοί χρησιμοποιούν τεχνολογίες που θα μπορούσαν να θεωρηθούν ως η βάση των διαφόρων κλάδων της σημερινής χημείας. Για παράδειγμα, η εξόρυξη μετάλλων από μεταλλεύματα, η αγγειοπλαστική και επισμάλτωση, η ζύμωση για παραγωγή μπύρας και κρασιού, η εξαγωγή χημικών ουσιών από φυτά για την ιατρική και τα αρώματα, η μετατροπή του λίπους σε σαπούνι, η παραγωγή γυαλιού, η παρασκευή ξυλάνθρακα από καυσόξυλα (βλ. ανθρακοποίηση), και η παραγωγή κραμάτων όπως π.χ. ορείχαλκος.

Το 1871 εισήχθη -για πρώτη φορά- ο Περιοδικός πίνακας από τον Ρώσο χημικό Ντμίτρι Μεντελέγιεφ

Η πρόγονος της χημείας, η αλχημεία, δεν κατάφερε να εξηγήσει τη φύση της ύλης και των μετασχηματισμών της. Ωστόσο, με την εκτέλεση πειραμάτων και την καταγραφή των αποτελεσμάτων, οι αλχημιστές έθεσαν τις βάσεις για τη σύγχρονη χημεία. Η μεταξύ τους διάκριση άρχισε να αναδύεται όταν ο Ρόμπερτ Μπόιλ (1627-1691) στο έργο του "The Sceptical Chymist" (1661) έκανε σαφή διαφοροποίηση μεταξύ της χημείας και της αλχημείας. Ενώ αμφότερες αναφέρονται στην ύλη και στους μετασχηματισμούς της, οι χημικοί διαφοροποιούνται επειδή στην εργασία τους εφαρμόζουν την επιστημονική μέθοδο.

Η χημεία θεωρείται ότι έγινε μια πλήρως ανεπτυγμένη επιστήμη με το έργο του Γάλλου χημικού Αντουάν Λωράν Λαβουαζιέ, ο οποίος διατύπωσε το νόμο διατήρησης της μάζας, που απαιτούσε προσεκτικές μετρήσεις και ποσοτικές παρατηρήσεις των χημικών φαινομένων. Η ιστορία της χημείας είναι συνυφασμένη με την ιστορία της θερμοδυναμικής (History of thermodynamics), κυρίως μέσα από το έργο του Τζοσάια Γουίλαρντ Γκιμπς (Josiah Willard Gibbs).

Αρχαία ιστορία

Πρωταρχική Μεταλλουργία

Το πρώτο μέταλλο που χρησιμοποιείται από τους ανθρώπους φαίνεται να είναι ο χρυσός, ο οποίος μπορεί να βρεθεί ελεύθερος ή αυτοφυής στη φύση. Σε ισπανικά σπήλαια βρέθηκαν μικρές ποσότητες φυσικού χρυσού της ύστερης παλαιολιθικής περιόδου, περίπου το 40.000 π.Χ.

Λόγχη με σιδερένια αιχμή από μετεωρικό σίδηρο

Ο άργυρος, ο χαλκός, ο κασσίτερος και ο σίδηρος των μετεωριτών μπορούν επίσης να βρεθούν σε αυτοφυή μορφή και έτσι επέτρεψαν μια περιορισμένη μεταλλουργία στους αρχαίους πολιτισμούς. Αιγυπτιακά όπλα κατασκευασμένα από μετεωρικό σίδηρο περίπου το 3000 π.Χ. ήταν ιδιαίτερης αξίας καθώς χαρακτηρίζονταν «Σπαθιά από τον Ουρανό».

Αναμφισβήτητα η πρώτη χημική αντίδραση που χρησιμοποιήθηκε με ελεγχόμενο τρόπο ήταν η καύση (φωτιά). Ωστόσο, για χιλιετίες η φωτιά θεωρήθηκε ως μια μυστική δύναμη που μπορούσε να μετατρέψει μία ουσία σε μία άλλη (π.χ. καύση του ξύλου ή βράσιμο νερού), ενώ ταυτόχρονα παράγει θερμότητα και φωτεινή ενέργεια (φως).

Η φωτιά επηρέασε πολλές δραστηριότητες των πρώιμων κοινωνιών. Αυτές ποικίλλουν από τις πιο απλές πτυχές της καθημερινής ζωής, όπως το μαγείρεμα και ο φωτισμός της διαμονής, έως τις πιο προηγμένες τεχνολογίες, όπως π.χ. το ψήσιμο των αγγείων και τούβλων, και η τήξη των μετάλλων για την κατασκευή σκευών, εργαλείων και όπλων.

Εν τέλει, ήταν η φωτιά που οδήγησε στην ανακάλυψη του γυαλιού και στον καθαρισμό των μετάλλων, που με τη σειρά της έδωσε ώθηση στην ανάπτυξη της μεταλλουργίας. Κατά τα πρώτα στάδια της μεταλλουργίας, αναζητήθηκαν μέθοδοι καθαρισμού των μετάλλων, και ο χρυσός -που ήταν ήδη γνωστός από το 2900 π.Χ. στην αρχαία Αίγυπτο- έγινε πολύτιμο μέταλλο.

Εποχή του Χαλκού

Ορισμένα μέταλλα μπορούν να εξαχθούν από τα μεταλλεύματα τους απλώς θερμαίνοντας τις πέτρες του μεταλλεύματος στη φωτιά. Μια διαδικασία που είναι γνωστή ως εκκαμίνευση και εφαρμόζεται κυρίως στο κασσίτερο, στο μόλυβδο και (σε υψηλότερη θερμοκρασία) στο χαλκό. Τα πρώτα στοιχεία αυτής της εξορυκτικής μεταλλουργίας χρονολογούνται την 5η και 6η χιλιετία π.Χ., και βρέθηκαν στους αρχαιολογικούς χώρους του Majdanpek, Yarmovac και Plocnik, στη Σερβία. Μέχρι σήμερα, η αρχαιότερη εκκαμίνευση του χαλκού βρίσκεται στη περιοχή του Belovode, όπου τα ευρήματα περιλαμβάνουν ένα χάλκινο τσεκούρι από το 5500 π.Χ. που ανήκει στον πολιτισμό Βίντσα. Άλλα ίχνη πρώιμων μέταλλων βρέθηκαν από την τρίτη χιλιετία π.Χ. σε μέρη όπως η Palmela (Πορτογαλία), το Los Millares (Ισπανία), και το Στόουνχεντζ (Ηνωμένο Βασίλειο). Ωστόσο, όπως συμβαίνει συχνά με τη μελέτη των προϊστορικών χρόνων, η τελική πρώτη εμφάνιση δεν μπορεί να οριστεί με σαφήνεια καθώς οι νέες ανακαλύψεις είναι διαρκείς και συνεχείς.

Μεταλλευτικές περιοχές της αρχαίας Μέσης Ανατολής

Αυτά τα πρώτα μέταλλα ήταν καθαρά μέταλλα ή μίγματα μετάλλων όπως ακριβώς βρέθηκαν. Με την ανάμειξη χαλκού και κασσίτερου, κατασκευάστηκε ένα ανώτερο μέταλλο, ένα κράμα που ονομάστηκε ορείχαλκος, και έτσι την εποχή του Χαλκού(περίπου το 3500 π.Χ.) ξεκίνησε μια σημαντική τεχνολογική καμπή. Η εποχή του Χαλκού ήταν η περίοδος στην ανθρώπινη πολιτιστική ανάπτυξη όπου ανακαλύφθηκε η πιο προηγμένη μεταλλουργία (τουλάχιστον σε συστηματική και διαδεδομένη χρήση). Επινοήθηκαν τεχνικές για την τήξη του χαλκού και κασσίτερου από φυσικώς απαντώμενα κοιτάσματα μεταλλευμάτων χαλκού, και στη συνέχεια η σύντηξη τους δημιούργησε τον ορείχαλκο. Αυτά τα φυσικώς απαντώμενα μεταλλεύματα τυπικά περιλαμβάνουν αρσενικό ως κοινή πρόσμιξη. Τα μεταλλεύματα χαλκού / κασσίτερου όμως είναι σπάνια, όπως αντικατοπτρίζεται στο γεγονός ότι δεν υπήρχαν μπρούντζοι κασσίτερου στη δυτική Ασία πριν από το 3000 π.Χ.

Μετά από την εποχή του Χαλκού, η ιστορία της μεταλλουργίας σημαδεύτηκε από τους στρατούς που αναζητούσαν καλύτερα όπλα. Οι χώρες στην Ευρασία(Eurasia) άκμασαν όταν δημιούργησαν ανώτερα κράματα, τα οποία, με τη σειρά τους, έκαναν καλύτερη πανοπλία και καλύτερα όπλα. Αυτό καθόριζε συχνά τα αποτελέσματα των μαχών. Σημαντική πρόοδος στη μεταλλουργία και την αλχημεία έγινε στην αρχαία Ινδία.

Εποχή του Σιδήρου

Κύριο άρθρο: Εποχή του Σιδήρου

Κελτικό ή Ρωμαϊκό σπαθί (366 - 341 π.Χ.) που βρέθηκε στην Ισπανία

Η εξαγωγή του σιδήρου από το μετάλλευμα του σε ένα μέταλλο που να μπορεί να υποστεί επεξεργασία είναι πολύ πιο δύσκολη από το χαλκό ή κασσίτερο. Φαίνεται να έχει εφευρεθεί από τους Χετταίους γύρω στο 1200 π.Χ., οπότε και τοποθετείται η έναρξη της Εποχής του Σιδήρου. Οι Χετταίοι έφεραν μαζί τους ή ανέπτυξαν επί τόπου στην κεντρική Μικρά Ασία την τέχνη επεξεργασίας του σιδήρου. Ήταν οι πρώτοι και οι μοναδικοί στην εποχή τους που γνώριζαν να επεξεργάζονται τον σίδηρο. Αυτό τους έδινε ισχυρή υπεροχή, αφού οι άλλες σύγχρονες τους φυλές πολιτισμικά βρίσκονταν ακόμα στην εποχή του χαλκού στην καλύτερη περίπτωση. Οι Χετταίοι μπόρεσαν και κράτησαν την τέχνη της επεξεργασίας του σιδήρου για εύλογους λόγους μυστική και γι' αυτό είχαν το μονοπώλιο της τέχνης και των προϊόντων του σιδήρου. Το μυστικό της εξόρυξης και επεξεργασίας του σιδήρου ήταν επίσης ένας βασικός παράγοντας για την επιτυχία των Φιλισταίων.

Με άλλα λόγια, η Εποχή του Σιδήρου αναφέρεται στην έλευση της σιδηρουργίας (Ferrous metallurgy). Ιστορικές ανακαλύψεις στη σιδηρουργία μπορεί να βρεθούν σε πολλούς πολιτισμούς και κουλτούρες. Σ’ αυτούς περιλαμβάνονται τα αρχαία και μεσαιωνικά βασίλεια και αυτοκρατορίες της Μέσης Ανατολής και της Εγγύς Ανατολής, το αρχαίο Ιράν, η αρχαία Αίγυπτος, η αρχαία Νουβία, και η Ανατολία (Τουρκία), η Αρχαία κουλτούρα των Nok στη Νιγηρία, η Καρχηδόνα, οι Έλληνες και οι Ρωμαίοι της αρχαίας Ευρώπης, καθώς και η μεσαιωνική Ευρώπη, η αρχαία και μεσαιωνική Κίνα, η αρχαία και μεσαιωνικά Ινδία, και η αρχαία και μεσαιωνική Ιαπωνία μεταξύ άλλων. Πολλές από τις εφαρμογές, τις πρακτικές, και τις συσκευές που συνδέονται ή που εμπλέκονται στη μεταλλουργία ανακαλύφθηκαν και ανδρώθηκαν στην αρχαία Κίνα. Τέτοιες είναι η καινοτομία της υψικαμίνου, ο χυτοσίδηρος, οι υδραυλικές μηχανικές σφύρες, και τα φυσερά με έμβολο διπλής ενέργειας.

Κλασική αρχαιότητα και ατομισμός

Δημόκριτος, ο Έλληνας φιλόσοφος της ατομιστικής σχολής.

Οι φιλοσοφικές προσπάθειες για να αιτιολογήσουμε το γιατί οι διάφορες ουσίες έχουν διαφορετικές ιδιότητες (χρώμα, πυκνότητα, οσμή), γιατί υπάρχουν σε διαφορετικές καταστάσεις (αέρια, υγρά και στερεά), και γιατί αντιδρούν με διαφορετικό τρόπο όταν εκτίθενται σε διάφορα περιβάλλοντα, όπως για παράδειγμα στο νερό, στη φωτιά, ή στις θερμοκρασιακές αλλαγές, οδήγησε τους αρχαίους φιλόσοφους να διατυπώσουν τις πρώτες θεωρίες για τη φύση και τη χημεία. Πιθανώς όλοι οι αρχαίοι πολιτισμοί έχουν να επιδείξουν φιλοσοφικές θεωρίες που σχετίζονται με τη χημεία. Ο κοινός παρονομαστής σε όλες αυτές τις θεωρίες ήταν η προσπάθεια να εντοπίσουν ένα μικρό αριθμό πρωτογενών κλασσικών στοιχείων που συνθέτουν το σύνολο των διαφόρων ουσιών στη φύση. Ουσίες όπως ο αέρας, το νερό και το έδαφος/γη, μορφές ενέργειας, όπως η φωτιά και το φως, και πιο αφηρημένες έννοιες όπως οι ιδέες, ο αιθέρας και ο ουρανός, ήταν κοινοί υποψήφιοι για τον θώκο των πρωτογενών κλασσικών στοιχείων σε όλους τους αρχαίους πολιτισμούς, ακόμη και όταν δεν υπήρχε καμία επαφή μεταξύ τους. Για παράδειγμα σε όλες τις φιλοσοφίες, την Ελληνική, Ινδική, την φιλοσοφία των Μάγια, και την αρχαία κινεζική ο αέρας, το νερό, η γη και η φωτιά θεωρούνται ως κύρια στοιχεία.

Αρχαίος κόσμος

Γύρω στο 420 π.Χ. ο Εμπεδοκλής δήλωσε ότι όλη η ύλη αποτελείται από τέσσερις στοιχειώδεις ουσίες - γη, φωτιά, αέρας και νερό. Η πρώιμη θεωρία του ατομισμού μπορεί να αναχθεί στην αρχαία Ελλάδα και την αρχαία Ινδία. Ο Ελληνικός ατομισμός χρονολογείται πίσω στον Έλληνα φιλόσοφο Δημόκριτο, ο οποίος περίπου το 380 π.Χ. δήλωσε ότι η ύλη αποτελείται από αδιαίρετα και άφθαρτα άτομα. Ο Λεύκιππος δήλωσε επίσης ότι τα άτομα ήταν το πιο αδιαίρετο μέρος της ύλης. Αυτό συνέπεσε με μια παρόμοια δήλωση από τον Ινδό φιλόσοφο Kanada στα γραπτά του, τις Vaisheshika σούτρα, περίπου την ίδια χρονική περίοδο. Με τον ίδιο τρόπο συζητήθηκε η ύπαρξη των αερίων. Αυτό που ο Kanada δήλωσε στους αφορισμούς του, στις σούτρα του, ο Δημόκριτος το δήλωσε με τον φιλοσοφικό του ρεμβασμό. Αλλά και οι δύο έπασχαν από έλλειψη εμπειρικών δεδομένων. Χωρίς επιστημονική απόδειξη, η ύπαρξη των ατόμων ήταν εύκολο να αμφισβητηθεί.

Η Natural History του Πλίνιου του Πρεσβύτερου μια πρώτη εγκυκλοπαίδεια του 77-79 μ.Χ. σε ένα χειρόγραφο του 12ου αιώνα από το Αββαείο του Saint-Vincent, Le Mans, Γαλλία

Ο Αριστοτέλης, το 330 π.Χ., ήταν αντίθετος με την ύπαρξη των ατόμων. Νωρίτερα, το 380 π.Χ., σε ένα ελληνικό κείμενο που αποδόθηκε στον Πολύβους (μαθητή του Ιπποκράτη) διατυπώνεται ο ισχυρισμός ότι το ανθρώπινο σώμα αποτελείται από τέσσερις χυμούς. Γύρω στο 300 π.Χ., ο Επίκουρος διατύπωσε την αρχή ότι υπάρχει ένα σύμπαν αποτελούμενο από άφθαρτα άτομα μέσα στο οποίο ο άνθρωπος είναι υπεύθυνος για την επίτευξη μιας ισορροπημένης ζωής.

Με στόχο να εξηγήσει την επικούρεια φιλοσοφία στο ρωμαϊκό κοινό, ο Ρωμαίος ποιητής και φιλόσοφος Λουκρήτιος έγραψε το 50 π.Χ. το έργο «De Rerum Natura» (Η φύση των πραγμάτων). Στο έργο αυτό, ο Λουκρήτιος παρουσιάζει τις αρχές του ατομισμού, τη φύση του νου και της ψυχής, εξηγήσεις των αισθήσεων και της σκέψης, την ανάπτυξη του κόσμου και των φαινομένων του, και εξηγεί μια ποικιλία από ουράνια και τα γήινα φαινόμενα.

Μεγάλο μέρος της πρώιμης ανάπτυξης των μεθόδων καθαρισμού (εξαγωγής και εμπλουτισμού των μετάλλων στη μεταλλουργία) περιγράφονται από τον Πλίνιο τον Πρεσβύτερο στην «φυσική ιστορία» του (Naturalis Historia). Προσπάθησε να εξηγήσει αυτές τις μεθόδους, καθώς επίσης και έκανε εύστοχες και ακριβείς παρατηρήσεις για την κατάσταση πολλών ορυκτών.

Μεσαιωνική αλχημεία

Δέκατος έβδομος αιώνας. Αλχημικό έμβλημα που απεικονίζει τα τέσσερα κλασικά στοιχεία στις γωνίες της εικόνας, μαζί με τα tria prima.

Το σύστημα στοιχείων που χρησιμοποιείται στη μεσαιωνική αλχημεία αναπτύχθηκε κυρίως από τον πέρση αλχημιστή Τζαμπίρ Ιμπν Χαγιάν (Jabir ibn Hayyan) και οι ρίζες του βρίσκονται στα κλασικά στοιχεία της ελληνικής παράδοσης. Το σύστημα του αποτελείται από τα τέσσερα Αριστοτελικά στοιχεία τον αέρα, τη γη, τη φωτιά και το νερό και επιπλέον από τα δύο φιλοσοφικά στοιχεία: το θείο, που χαρακτηρίζει την αρχή της ευφλεκτότητας καθ'όσων είναι "η πέτρα που καίει», και τον υδράργυρο, που χαρακτηρίζει την αρχή των μεταλλικών ιδιοτήτων. Αυτά τα στοιχεία είχαν θεωρηθεί από τους πρώτους αλχημιστές ως εξιδανικευμένες εκφράσεις των μη αναγωγίσιμων συστατικών του σύμπαντος και έτυχαν της μέγιστης μελέτης από την φιλοσοφική αλχημεία.

Οι τρεις μεταλλικές αρχές: το θείο για την ευφλεκτότητα ή την καύση, ο υδράργυρος για την αστάθεια και τη σταθερότητα, και το αλάτι για την στερεότητα έγιναν η «πρωτεύουσα τριάδα» (tria prima) του Ελβετού αλχημιστή Παράκελσου. Το αιτιολόγησε υποστηρίζοντας ότι η θεωρία των τεσσάρων στοιχείων του Αριστοτέλη εμφανίζεται στα σώματα κάτω από το πρίσμα των τριών αρχών. Ο Παράκελσος είδε αυτές τις αρχές ως θεμελιώδεις και το δικαιολόγησε προσφεύγοντας στην περιγραφή του τρόπου με τον οποίο το ξύλο καίγεται στη φωτιά. Ο υδράργυρος συνεισφέρει την αρχή της συνεκτικότητας, έτσι όταν φεύγει από το ξύλο υπό μορφή καπνού το ξύλο καταρρέει. Ο καπνός εμπεριέχει την αστάθεια (υδραργυρική αρχή), οι φλόγες δίνοντας θερμότητα εμπεριέχουν την ευφλεκτότητα (θείο), και το υπόλοιπο η τέφρα εμπεριέχει την στερεότητα (αλάτι).

Η φιλοσοφική λίθος

"Ο Αλχημιστής", από τον Sir William Douglas, 1855

Η Αλχημεία καθορίζεται από την «Ερμητική» αναζήτηση για την φιλοσοφική λίθο, η μελέτη της οποίας είναι πλούσια σε συμβολικό μυστικισμό, και διαφέρει σε μεγάλο βαθμό από τη σύγχρονη επιστήμη. Οι αλχημιστές μόχθησαν για να κάνουν μετασχηματισμούς τόσο σε εσωτερικό (πνευματικό) όσο και σε εξωτερικό (πρακτικό) επίπεδο. Αυτές οι πρωτοεπιστημονικές, εξωτερικές (πρακτικές) πτυχές της αλχημείας ηταν που συνέβαλαν σε μεγάλο βαθμό στην εξέλιξη της χημείας στην ελληνορωμαϊκή Αίγυπτο, στην Ισλαμική Χρυσή Εποχή, και στη συνέχεια στην Ευρώπη. Η αλχημεία και η χημεία διαμοιράζονται το ενδιαφέρον για τη σύνθεση και τις ιδιότητες της ύλης, και πριν από τον δέκατο όγδοο αιώνα δεν μπορούν να διαχωριστούν σε διακριτές ειδικότητες. Ο όρος χυμεία (chymistry) έχει χρησιμοποιηθεί για να περιγράψει την ανάμειξη της αλχημείας και της χημείας που προϋπήρχε πριν από αυτήν την περίοδο.

Οι πρώτοι δυτικοί αλχημιστές, που έζησαν κατά τους πρώτους αιώνες της κοινής περιόδου, εφηύραν συσκευές χημείας. Το μπεν μαρί, ή υδατόλουτρο ονομάστηκε από την Μαρία την Εβραία. Η δουλειά της δίνει επίσης τις πρώτες περιγραφές του τρίμπικου και της κηροτακίδας. Η Κλεοπάτρα η αλχημιστής περιγράφει τον κλίβανο και έχει πιστωθεί με την εφεύρεση του άμβυκα. Αργότερα, το πειραματικό πλαίσιο που θεσπίστηκε από τον Τζαμπίρ Ιμπν Χαγιάν (Jabir ibn Hayyan) επηρέασε τους αλχημιστές καθώς η αλχημεία μετανάστευσε στον ισλαμικό κόσμο, στη συνέχεια, στην Ευρώπη του δωδέκατου αιώνα.

Κατά τη διάρκεια της Αναγέννησης, η εξωτερική (πρακτική) αλχημεία παρέμεινε δημοφιλής, με τη μορφή της ιατροχημείας του Παράκελσου (Paracelsian iatrochemistry), ενώ η πνευματική αλχημεία άνθισε, παραμένοντας ευθυγραμμισμένη με τις πλατωνικές, Ερμητικές και Γνωστικές ρίζες της. Κατά συνέπεια, η συμβολική αναζήτηση για την φιλοσοφική λίθο δεν είχε αντικατασταθεί από τις επιστημονικές προόδους, και ήταν ακόμη ο τομέας των καταξιωμένων επιστημόνων και γιατρών μέχρι τις αρχές του δέκατου όγδοου αιώνα. Στους πρώτους σύγχρονους αλχημιστές που φημίζονται για τις επιστημονικές τους παρεμβάσεις περιλαμβάνονται οι Jan Baptist van Helmont, Ρόμπερτ Μπόιλ (Robert Boyle), και ο Ισαάκ Νεύτων.

Τα προβλήματα της αλχημείας

Υπήρχαν πολλά προβλήματα με την αλχημεία, όπως φαίνεται από τη σημερινή σκοπιά. Δεν υπήρχε συστηματική σύστημα ονοματοδοσίας για νέες ενώσεις, και η γλώσσα ήταν απόκρυφη και ασαφής σε σημείο που οι ορολογίες να σημαίνουν διαφορετικά πράγματα σε διαφορετικούς ανθρώπους. Στην πραγματικότητα, σύμφωνα με το «The Fontana Ιστορία της Χημείας» (Brock, 1992):

Η γλώσσα της αλχημείας ανέπτυξε σύντομα ένα απόκρυφο και μυστικοπαθές τεχνικό λεξιλόγιο σχεδιασμένο να αποκρύπτει πληροφορίες από τους αμύητους. Σε ένα μεγάλο βαθμό, αυτή η γλώσσα είναι ακατανόητη για μας σήμερα, αν και είναι προφανές ότι οι αναγνώστες του «Canon's Yeoman's Tale» του Τζόφρι Σώσερ (Geoffery Chaucer) ή το κοινό του «Ο Αλχημιστής» του Μπεν Τζόνσον (Ben Jonson) ήταν σε θέση να τα κατανοήσουν αρκετά καλά ώστε να γελάσουν με αυτά.

Το παραμύθι του Σώσερ περιγράφει την πιο δόλια πλευρά της αλχημείας, ειδικά την κατασκευή πλαστού χρυσού από φθηνές ουσίες. Λιγότερο από έναν αιώνα νωρίτερα, ο Δάντης Αλιγκέρι (Dante Alighieri) κατέδειξε επίσης την επίγνωση αυτής της δολιότητας, η οποία τον προκάλεσε στα γραπτά του να ξαποστείλει όλους τους αλχημιστές στην κόλαση. Λίγο μετά, το 1317, ο Πάπας Ιωάννης XXII της Αβινιόν διέταξε όλοι οι αλχημιστές να εγκαταλείψουν τη Γαλλία λόγω της κατασκευής πλαστών χρημάτων. Στην Αγγλία το 1403 ψηφίστηκε ένας νόμος που όρισε να τιμωρείται με θάνατο ο "πολλαπλασιασμός των μετάλλων"

Παρόλα αυτά και άλλα φαινομενικά ακραία μέτρα, η αλχημεία δεν πέθανε. Οι βασιλείς και οι προνομιούχες τάξεις ακόμα εξακολουθούν να αναζητούν να ανακαλύψουν τη φιλοσοφική λίθο και το ελιξίριο της ζωής για τον εαυτό τους.

Επίσης δεν υπήρχε συμφωνημένη επιστημονική μέθοδος ώστε η εκτέλεση των πειραμάτων να είναι αναπαραγώγιμη. Πράγματι, πολλοί αλχημιστές περιλαμβάνουν στις μεθόδους τους, άσχετες πληροφορίες, όπως ο χρόνος της παλίρροιας ή οι φάσεις της σελήνης. Η εσωτερική φύση και το κωδικοποιημένο λεξιλόγιο της αλχημείας φάνηκε να είναι χρήσιμα κυρίως στο να αποκρυβεί το γεγονός ότι δεν ήταν και πολύ σίγουροι σε όσα έλεγαν. Ήδη από τον 14ο αιώνα, φάνηκε να αυξάνονται οι ρωγμές στην πρόσοψη της αλχημείας, και οι άνθρωποι έγιναν επιφυλακτικοί. Είναι σαφές πλέον, ότι χρειάζεται να υπάρχει μια επιστημονική μέθοδος, όπου τα πειράματα να μπορούν να επαναληφθούν από άλλους ανθρώπους και τα αποτελέσματα θα έπρεπε να περιγράφονται με μια σαφή γλώσσα που να ξεκαθαρίζει τόσο αυτό που είναι γνωστό όσο και αυτό που είναι άγνωστο.

Αλχημεία στον ισλαμικό κόσμο

Ο Τζαμπίρ Ιμπν Χαγιάν (Geber), ένας πέρσης αλχημιστής του οποίου η πειραματική έρευνα έθεσε τα θεμέλια της χημείας.

Στον ισλαμικό κόσμο, οι μουσουλμάνοι μετέφρασαν τα έργα των αρχαίων Ελλήνων και Αιγυπτίων στα αραβικά και πειραματίζονταν με τις επιστημονικές ιδέες. Η ανάπτυξη της σύγχρονης επιστημονικής μεθόδου ήταν αργή και επίπονη, αλλά η πρώιμη επιστημονική μέθοδος για τη χημεία άρχισε να αναφύεται μεταξύ των πρώτων μουσουλμάνων χημικών, αρχίζοντας με τον χημικό 9ου αιώνα Τζαμπίρ Ιμπν Χαγιάν (Jabir ibn Hayyan) (γνωστό και ως " Geber " στην Ευρώπη), ο οποίος θεωρείται ως "ο πατέρας της χημείας ». Αυτός εισήγαγε μια συστηματική και πειραματική προσέγγιση στην επιστημονική έρευνα βασισμένη στο εργαστήριο, σε αντίθεση με τους αρχαίους έλληνες και αιγύπτιους αλχημιστές των οποίων τα έργα ήταν σε μεγάλο βαθμό αλληγορικά και συχνά ακατανόητα. Ο ίδιος επίσης, ανακάλυψε και ονόμασε τον άμβυκα (al - Anbiq), έδωσε την χημική ανάλυση πολλών χημικές ουσίες, συνέθεσε τα lapidaries, έδωσε τη διάκριση μεταξύ αλκαλίων και οξέων, και κατασκεύασε εκατοντάδες φαρμάκων. Επίσης επεξέτεινε τη θεωρία των πέντε κλασικών στοιχείων στη θεωρία των επτά αλχημικών στοιχείων, μετά την ταυτοποίηση του υδραργύρου και θείου, σαν χημικά στοιχεία.

Μεταξύ άλλων μουσουλμάνοι χημικοί με επιρροή, όπως ο Αμπού αλ - Rayhān al-Biruni, ο Αβικέννας και ο Αλ-Κίντι (Al-kindi) αντέκρουσαν τις θεωρίες της αλχημείας, ιδιαίτερα τη θεωρία της μεταστοιχείωσης των μετάλλων, και ο al-Tusi διατύπωσε μια εκδοχή της «διατήρησης μάζας», σημειώνοντας ότι ένα υλικό σώμα είναι μεν σε θέση να αλλάξει, αλλά δεν είναι δυνατόν να εξαφανιστεί. Ο Rhazes αντέκρουσε για πρώτη φορά τη θεωρία του Αριστοτέλη για τα τέσσερα κλασικά στοιχεία, και δημιούργησε τα θεμέλια της σύγχρονης χημείας, χρησιμοποιώντας το εργαστήριο στη σύγχρονη έννοια του όρου, σχεδιάζοντας και περιγράφοντας περισσότερα από είκοσι όργανα, πολλά τμήματα των οποίων είναι ακόμα και σήμερα σε χρήση.Τέτοια είναι το χωνευτήρι, η κολοκύθα ή αποστακτήρας για την απόσταξη, και η κεφαλή ενός αποστακτήρα με σωλήνα απορροής (ambiq, Λατινική του άμβυκα), και διάφορα είδη φούρνων ή θερμαντήρων.

Για τους γιατρούς της Ευρώπης, η αλχημεία έγινε μια διανοητική άσκηση όταν η πρώιμη αραβική αλχημεία έγινε διαθέσιμη μέσω της λατινικής μετάφρασης, και έτσι βελτιώθηκαν με την πάροδο του χρόνου. Ο Παράκελσος (1493-1541), για παράδειγμα, απέρριψε την θεωρία των τεσσάρων στοιχείων και μόνο με μια ασαφή κατανόηση των χημικών ουσιών και φαρμάκων του, σχηματίζει ένα υβρίδιο αλχημείας και επιστήμης που θα αποκληθεί ιατροχημεία (iatrochemistry). Ο Παράκελσος δεν ήταν τέλειος στο να καταστήσει τα πειράματα του πραγματικά επιστημονικά. Για παράδειγμα, ως προέκταση της θεωρίας του ότι νέες ενώσεις θα μπορούσαν να γίνουν με το συνδυασμό του υδραργύρου και θείου, κάποια στιγμή παρασκεύασε μια ουσία που πίστευε ότι ήταν "το έλαιο του θείου». Αλλά αυτή στην πραγματικότητα ήταν ο διμεθυλαιθέρας, ο οποία δεν είχε ούτε υδράργυρο ούτε θείο.

Ο 17ος και 18ος αιώνας: Πρόωρη χημεία

Agricola, author of De re metallica

Workroom, from De re metallica, 1556, Chemical Heritage Foundation

Πρακτικές προσπάθειες για τη βελτίωση του εμπλουτισμού των μεταλλευμάτων και η εξαγωγή των καθαρών μετάλλων ήταν μια σημαντική πηγή πληροφοριών για τους πρώτους χημικούς του 16ου αιώνα, μεταξύ των οποίων και ο Γκεόργκιους Αγκρικόλα (Georgius Agricola 1494-1555), ο οποίος δημοσίευσε το σπουδαίο έργο του «De re metallica» το 1556. Το έργο του περιγράφει τις ανεπτυγμένες και πολύπλοκες διαδικασίες της εξόρυξης μεταλλευμάτων, την εξαγωγή των μετάλλων και τη μεταλλουργία εποχής του. Η προσέγγιση του αφαίρεσαν το μυστικισμό που σχετίζονται με το θέμα, δημιουργώντας την πρακτική βάση πάνω στην οποία άλλοι θα μπορούσαν να οικοδομήσουν. Το έργο περιγράφει τα πολλά είδη φούρνων που χρησιμοποιούνται για την τήξη του μεταλλεύματος, και κέντρισε το ενδιαφέρον για τα μέταλλα και τη σύνθεσή τους. Δεν είναι τυχαίο ότι ο ίδιος δίνει πολλές αναφορές σε έναν αρχαίο συγγραφέα, τον Πλίνιο τον Πρεσβύτερο και την «Naturalis Historia» του. Τον οποίο ο Αγκρικόλα έχει χαρακτηρίσει σαν τον «πατέρα της μεταλλουργίας».

Το 1605, ο Σερ Φράνσις Μπέικον (Sir Francis Bacon) δημοσίευσε το «Η Ικανότητα και προώθηση της μάθησης» (The Proficience and Advancement of Learning), όπου περιλαμβάνεται μια περιγραφή αυτού που αργότερα θα γίνει γνωστό ως «επιστημονική μέθοδος». Το 1605, ο Michal Sedziwój δημοσιεύει την αλχημική πραγματεία «Ένα νέο φως της Αλχημείας» (A New Light of Alchemy) όπου πρότεινε την ύπαρξη της «τροφής της ζωής" στον αέρα που πολύ αργότερα θα αναγνωριζόταν ως το οξυγόνο. Το 1615 ο Jean Beguin δημοσίευσε το Tyrocinium Chymicum, ένα πρώιμο βιβλίο χημείας, και εκεί σχεδιάζει την πρώτη χημική εξίσωση. Το 1637 ο Καρτέσιος δημοσιεύει το «Discours de la méthode», το οποίο περιέχει ένα περίγραμμα της επιστημονικής μεθόδου.

Η εργασία του ολλανδού χημικού Jan Baptist van Helmont το «Ortus medicinae» δημοσιεύθηκε μεταθανάτια το 1648. Το βιβλίο αναφέρεται από ορισμένους ως ένα σημαντικό μεταβατικό έργο από την αλχημεία στη χημεία, και ως σημαντική επιρροή στον Ρόμπερτ Μπόιλ. Το βιβλίο περιέχει τα αποτελέσματα πολλών πειραμάτων και καθιερώνει μια πρώιμη έκδοση του νόμου της διατήρησης της μάζας. Εργαζόμενος κατά το χρονικό διάστημα αμέσως μετά τον Παράκελσο και την ιατροχημεία, ο Jan Baptist van Helmont πρότεινε ότι υπάρχουν επουσιώδη ουσίες άλλες από τον αέρα και επινόησε γι' αυτές το όνομα "αέριο", από την ελληνική λέξη χάος. Εκτός από την εισαγωγή της λέξης «αέριο» στο λεξιλόγιο των επιστημόνων, ο van Helmont διεξήγαγε διάφορα πειράματα που αφορούν τα αέρια. Τον Jan Baptist van Helmont σήμερα τον θυμόμαστε επίσης σε μεγάλο βαθμό για τις ιδέες του σχετικά με «αυθόρμητη γέννηση» και το πείραμα του 5-ετούς δέντρου, καθώς και από το ότι θεωρείται ο ιδρυτής της χημείας των αερίων.

Ρόμπερτ Μπόιλ

Robert Boyle, one of the co-founders of modern chemistry through his use of proper experimentation, which further separated chemistry from alchemy

Title page from The sceptical chymist, 1661, Chemical Heritage Foundation

Ο Άγγλος χημικός Ρόμπερτ Μπόιλ (Robert Boyle 1627-1691) θεωρείται ότι εξειδίκευσε τη μοντέρνα «επιστημονική μέθοδο» για την αλχημεία και διαχώρισε τη χημεία από την αλχημεία ακόμη περισσότερο. Αν και η έρευνα του έχει σαφώς τις ρίζες της στην αλχημική παράδοση, ο Μπόιλ σε μεγάλο βαθμό σήμερα θεωρείται ο πρώτος σύγχρονος χημικός, και ως εκ τούτου, ένας από τους ιδρυτές της σύγχρονης χημείας, και ένας από τους πρωτοπόρους της σύγχρονης πειραματικής επιστημονικής μεθόδου. Αν και ο Μπόιλ δεν ήταν αυτός που τον ανακάλυψε πρώτος, είναι περισσότερο γνωστός για το νόμο του Μπόιλ, τον οποίο παρουσίασε το 1662. Ο νόμος περιγράφει την αντιστρόφως ανάλογη σχέση μεταξύ της απόλυτης πίεσης και όγκου ενός αερίου, εάν η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή σε ένα κλειστό σύστημα.

Ο Μπόιλ, επίσης, πιστώνεται με τη δημοσίευση ορόσημο του «The Sceptical Chymist» το 1661, το οποίο θεωρείται ως το βιβλίο ακρογωνιαίος λίθος στον τομέα της χημείας. Ο Μπόιλ παρουσιάζει την υπόθεσή του ότι κάθε φαινόμενο ήταν το αποτέλεσμα των συγκρούσεων των σωματιδίων σε κίνηση. Έκανε έκκληση στους χημικούς να πειραματιστούν και υποστήριξε ότι τα πειράματα απορρίπτουν τον περιορισμό των χημικών στοιχείων μόνο στα κλασικό τέσσερα: γη, φωτιά, αέρας και νερό. Ο ίδιος επίσης απηύθυνε έκκληση, ότι η χημεία θα πρέπει να πάψει να είναι υποταγμένη στην ιατρική ή στην αλχημεία, και θα πρέπει να ανέλθει στο καθεστώς της επιστήμης. Είναι σημαντικό το ότι υπερασπίστηκε μια αυστηρή προσέγγιση στο επιστημονικό πείραμα: πίστευε ότι όλες οι θεωρίες πρέπει να αποδεικνύεται πειραματικά προτού θεωρηθούν ως αλήθεια. Το έργο του περιέχει μερικές από τις πρώτες σύγχρονες ιδέες όπως των ατόμων, των μορίων και της χημικής αντίδρασης, και σηματοδοτεί την αρχή της ιστορίας της σύγχρονης χημείας.

Ο Μπόιλ προσπάθησε να καθαρίσει από προσμίξεις τις χημικές ουσίες για να μπορούν να αναπαραχθούν οι αντιδράσεις. Ήταν ένας προβεβλημένος υπερασπιστής της μηχανικής φιλοσοφίας που πρότεινε ο Ρενέ Ντεκάρτ (René Descartes) για να εξηγήσει και να ποσοτικοποιήσει τις φυσικές ιδιότητες και τις αλληλεπιδράσεις των υλικών ουσιών. Ο Boyle ήταν υπέρμαχος της ατομικής θεωρίας, αλλά προτιμούσε τη λέξη corpuscle (σωματίδια-μόρια) περισσότερο από το άτομα. Ο ίδιος σχολίασε ότι η μικρότερη διαίρεση της ύλης, όπου οι ιδιότητες διατηρούνται είναι στο επίπεδο των σωματιδίων-μορίων. Εκτέλεσε επίσης πολυάριθμες έρευνες με αεραντλία, και σημείωσε ότι ο υδράργυρος του βαρομέτρου πέφτει όταν ο αέρας αντλείται έξω. Επισήμανε, επίσης, ότι η άντληση του αέρα από ένα δοχείο θα σβήσει μια φλόγα και θα σκοτώσει μικρά ζώα που είναι τοποθετημένα στο εσωτερικό, και επίσης θα προκαλέσει την πτώση του ύψους του βαρόμετρου. Ο Μπόιλ βοήθησε να τεθούν τα θεμέλια για την Χημική Επανάσταση με τη μηχανική σωματιδιακή φιλοσοφία του. Και επανέλαβε το πείραμα του 5-ετους δέντρου του van Helmont, και ήταν ο πρώτος που χρησιμοποίησε δείκτες που άλλαζαν χρώματα όταν άλλαζε η οξύτητα.

Η άνοδος και η πτώση του φλογιστόν

Ο Τζόζεφ Πρίστλεϊ, ανακάλυψε το στοιχείο οξυγόνο, το οποίο αποκάλεσε "αποφλογισμένο αέρα"

Το 1702, Γερμανός χημικός Γκέοργκ Σταλ (Georg Stahl) επινόησε το όνομα "Φλογιστό" για την ουσία που πίστευε ότι ελευθερώνεται κατά τη διαδικασία της καύσης. Γύρω στο 1735, Σουηδός χημικός Georg Brandt ανέλυσε μια σκούρα μπλε χρωστική ουσία που βρίσκεται στο μετάλλευμα του χαλκού. Ο Brandt έδειξε ότι η χρωστική ουσία περιείχε ένα νέο στοιχείο, που αργότερα θα ονομαζόταν κοβάλτιο. Το 1751, ένας Σουηδός χημικός και μαθητής του Σταλ ονομαζόμενος Axel Fredrik Cronstedt, ταυτοποίησε μια πρόσμειξη του μεταλλεύματος του χαλκού ως ξεχωριστό μεταλλικό στοιχείο, το οποίο ονόμασε νικέλιο. Ο Cronstedt είναι ένας από τους ιδρυτές της σύγχρονης ορυκτολογίας. Ο Cronstedt ανακάλυψε επίσης το ορυκτό σεελίτης το 1751, το οποίο ονόμασε βολφράμιο, που σημαίνει «βαριά πέτρα" στα σουηδικά.

Το 1754, σκωτσέζος χημικός Τζόζεφ Μπλακ (Joseph Black) απομόνωσε το διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο ονόμασε «σταθερό αέρα». Το 1757, ο Louis Claude Cadet de Gassicourt, ενώ ερευνά ενώσεις αρσενικού, δημιουργεί το «ατμίζον υγρό του Καντετ», που αργότερα ανακαλύφθηκε ότι είναι το οξείδιο του κακοδηλίου, θεωρείται ότι είναι η πρώτη συνθετική οργανομεταλλική ένωση. Το 1758, ο Τζόζεφ Μπλακ διατύπωσε την έννοια της λανθάνουσας θερμότητας για να εξηγήσει την θερμοχημεία των αλλαγών φάσης. Το 1766, ο άγγλος χημικός Χένρι Κάβεντις (Henry Cavendish) απομόνωσε το υδρογόνο, το οποίο ονόμασε «εύφλεκτο αέρα". Ο Κάβεντις ανακάλυψε το υδρογόνο ως ένα άχρωμο, άοσμο αέριο που καίγεται και μπορεί να σχηματίσει ένα εκρηκτικό μείγμα με τον αέρα, και δημοσίευσε ένα έγγραφο σχετικά με την παραγωγή νερού από την καύση του εύφλεκτου αέρα (δηλαδή, υδρογόνο) με «αποφλογισμένο αέρα» που τώρα είναι γνωστό ότι είναι το οξυγόνο, συστατικό του ατμοσφαιρικού αέρα (θεωρία του φλογιστού). Το 1773, ο Σουηδός χημικός Καρλ Βίλχελμ Σέελε (Karl Wilhelm Scheele) ανακάλυψε το οξυγόνο, το οποίο ονόμασε «αέρα της φωτιάς", αλλά δεν δημοσιεύει αμέσως το επίτευγμά του.

Το 1774, ο άγγλος χημικός Τζόζεφ Πρίστλεϊ (Joseph Priestley) απομόνωσε, εργαζόμενος ανεξάρτητα από τον Σέελε, το οξυγόνο στην αέρια κατάστασή του, χαρακτηρίζοντάς το «αποφλογισμένο αέρα », και δημοσίευσε την εργασία του πριν από τον Σέελε. Κατά τη διάρκεια της ζωής του, η επιστημονική φήμη του Πρίστλεϊ στηριζόταν κυρίως στην εφεύρεση του «αεριούχου νερού» δηλαδή της σόδας που σήμερα αποκαλούμε νερό με ανθρακικό, στα γραπτά του για τον ηλεκτρισμό, και την ανακάλυψη πολλών «αερίων» (gas), όπου το πιο διάσημο είναι το οξυγόνο. Ωστόσο, η αποφασιστικότητα Πρίστλεϊ να υπερασπιστεί τη θεωρία του φλογιστού και να απορρίψει αυτό που θα γινόταν η χημική επανάσταση τελικά τον άφησε απομονωμένο μέσα στους κόλπους της επιστημονικής κοινότητας. Το 1781, ο Καρλ Βίλχελμ Σέελε ανακάλυψε ότι ένα νέο οξύ, το βολφραμικό οξύ, θα μπορούσε να γίνει από σεελίτη του Cronstedt. Οι Σέελε και Τόρμπερν Μπέργκμαν (Torbern Bergman) πρότειναν ότι πιθανόν είναι δυνατό να παραχθεί ένα νέο μέταλλο με τη αναγωγή του οξέος αυτού. Το 1783, οι ισπανοί αδερφοί José και Fausto Elhuyar βρήκαν ένα οξύ που παράγεται από τον βολφραμίτη που ήταν ταυτόσημο με το βολφραμικό οξύ. Αργότερα εκείνο το έτος, στην Ισπανία, οι αδελφοί κατάφεραν να απομονώσουν το μέταλλο βολφράμιο με αναγωγή αυτού του οξέος με άνθρακα, και πιστώθηκαν με την ανακάλυψη του στοιχείου.

Αντουάν Λωράν Λαβουαζιέ

Πορτραίτο του Λαβουαζιέ και της συζύγου του, από τον Ζακ-Λουί Νταβίντ

Παρά το γεγονός ότι η χημική έρευνα βασίζεται σε εργασίες από την αρχαία Βαβυλώνα, την Αίγυπτο, και ιδιαίτερα στους Άραβες και Πέρσες μετά το Ισλάμ, η σύγχρονη χημεία άκμασε από την εποχή του Αντουάν Λωράν Λαβουαζιέ, ενός Γάλλου χημικού που έχει την φήμη του "πατέρα της σύγχρονης χημείας". Ο Λαβουαζιέ απέδειξε με προσεκτικές μετρήσεις ότι η μεταστοιχείωση του νερού σε χώμα δεν ήταν δυνατή, αλλά ότι το ίζημα που παρατηρήθηκε κατά το βράσιμο του νερού προερχόταν από το δοχείο. Έκαψε φωσφόρο και θείου στον ατμοσφαιρικό αέρα, και αποδείχθηκε ότι τα προϊόντα ζύγιζαν περισσότερο από το αρχικό υλικό. Παρ' όλα αυτά, το βάρος που αποκτήθηκε είχε χαθεί από τον αέρα που χρησιμοποιήθηκε για την καύση. Έτσι, το 1789, καθιέρωσε την αρχή διατήρησης της μάζας, ο οποίος καλείται επίσης «Νόμος του Λαβουαζιέ".

Το πρώτο θερμιδόμετρο πάγου στον κόσμο, χρησιμοποιήθηκε το χειμώνα του 1782 - 1783, από τον Λαβουαζιέ και τον Πιερ Σιμόν Λαπλάς, για τον προσδιορισμό της θερμότητας που εμπλέκεται σε διάφορες χημικές αλλαγές. Υπολογισμοί βασίστηκαν σε προηγούμενη διατύπωση της λανθάνουσας θερμότητας από τον Τζόζεφ Μπλακ. Αυτά τα πειράματα σηματοδοτούν την ίδρυση της θερμοχημείας.

Επαναλαμβάνοντας τα πειράματα του Πρίστλεϊ, έδειξε ότι ο αέρας αποτελείται από δύο μέρη, ένα από τα οποία ενώνεται με τα μέταλλα για να σχηματίσουν calxes, τα γνωστά οξείδια. Στο «Considérations Générales sur la Nature des acides» (1778), έδειξε ότι ο "αέρας" είναι υπεύθυνος για την καύση καθώς επίσης είναι η πηγή της οξύτητας. Το επόμενο έτος, ονόμασε αυτό το μέρος του αέρα οξυγόνο (από το ελληνικό οξύ-γεννώ), και το άλλο άζωτο (azote) (από το ελληνικό χωρίς ζωή). Έτσι ο Λαβουαζιέ είναι συνυποψήφιος για την ανακάλυψη του οξυγόνου, μαζί με τους Πρίστλεϊ και Σέελε. Ανακάλυψε επίσης ότι ο «εύφλεκτος αέρας" που ανακαλύφθηκε από τον Cavendish και ο οποίος τελικά ονομάστηκε υδρογόνο (από τα Ελληνικά ύδωρ-γεννώ), όταν ενώνεται με το οξυγόνο παράγει μια δροσιά, όπως είχε αναφέρει ο Πρίστλεϊ, η οποία φαίνεται να είναι το νερό. Στους «Reflexions sur le Phlogistique» (1783), ο Λαβουαζιέ έδειξε ότι η εφαρμογή της «θεωρίας του φλογιστόν» στην καύση είναι ασυνεπής. Ο Μιχαήλ Λομονόσοφ εργαζόμενος ανεξάρτητα δημιουργεί μια παράδοση χημείας στη Ρωσία κατά τον 18ο αιώνα. Ο επίσης Lomonosov απέρριψε τη θεωρία του φλογιστού, και προέβλεψε τη κινητική θεωρία των αερίων. Ο Λομονόσοφ θεωρηθεί την θερμότητα ως μια μορφή κίνησης, και ανέφερε την ιδέα της διατήρησης της ύλης.

Ο Λαβουαζιέ εργάστηκε με τον Κλωντ Λουί Μπερτολέ (Claude Louis Berthollet) και άλλους για να επινοήσει ένα σύστημα χημικής ονοματολογίας που αργότερα χρησίμευσε ως βάση του σύγχρονου συστήματος ονοματολογίας των χημικών ενώσεων. Στο «Μέθοδοι της Χημικής ονοματολογίας» (Methods of Chemical Nomenclature, 1787), ο Λαβουαζιέ επινόησε αυτό το σύστημα της ονοματοδοσίας και ταξινόμησης που είναι ακόμη και σήμερα σε χρήση σε μεγάλο βαθμό, συμπεριλαμβανομένων ονομάτων όπως το θειικό οξύ, θειικά και θειώδη. Το 1785, ο Μπερτολέ ήταν ο πρώτος που εισήγαγε τη χρήση του αερίου χλωρίου σαν εμπορικό λευκαντικό. Την ίδια χρονιά προσδιορίζει για πρώτη φορά την στοιχειακή σύνθεση της αερίου αμμωνίας. Ο Μπερτολέ παράγεται πρώτος ένα σύγχρονο υγρό λευκαντικό το 1789 διαβιβάζοντας αέριο χλώριο διαμέσου ενός διαλύματος ανθρακικού νατρίου το αποτέλεσμα ήταν ένα ασθενές διάλυμα υποχλωριώδους νατρίου. Ένα άλλο ισχυρό οξειδωτικό με χλώριο και ταυτόχρονα λευκαντικό-απολυμαντικό που διερεύνησε και ήταν ο πρώτος που παρήγαγε ήταν το χλωρικό κάλιο (KClO₃), που είναι γνωστό ως αλάτι του Μπερτολέ. Ο Μπερτολέ είναι επίσης γνωστός για την επιστημονική συμβολή του στη θεωρία της χημικής ισορροπίας μέσω του μηχανισμού της αντίστροφης χημικής αντίδρασης.

Η Στοιχειώδης πραγματεία Χημείας του Λαβουαζιέ (Traité Élémentaire de Chimie, 1789) ήταν το πρώτο σύγχρονο βιβλίο χημείας, και παρουσίασε μια ενοποιημένη άποψη των νέων θεωριών της χημείας, περιείχε μια σαφή διατύπωση του νόμου της διατήρησης της μάζας, και αρνήθηκε την ύπαρξη του φλογιστού. Επιπλέον, περιείχε ένα κατάλογο των στοιχείων, ή ουσιών που δεν μπορούν να διασπαστούν περαιτέρω, η οποία περιελάμβανε το οξυγόνο, άζωτο, υδρογόνο, φώσφορο, τον υδράργυρο, τον ψευδάργυρος, και το θείο. Στην λίστα του, ωστόσο, περιλαμβάνονται επίσης το φως, και η θερμιδική, τα οποίο πίστευε ότι είναι υλικές ουσίες. Στο έργο του, ο Λαβουαζιέ υπογράμμισε την παρατηρησιακή βάση της χημείας του, δηλώνοντας "Έχω προσπαθήσει... να φτάσω στην αλήθεια, συνδέοντας τα γεγονότα και καταστέλοντας όσο το δυνατόν περισσότερο τη χρήση της συλλογιστικής, η οποία είναι συχνά ένα αναξιόπιστο μέσο που μας εξαπατά, προκειμένου να ακολουθήσω όσο το δυνατόν περισσότερο τη δάδα της παρατήρησης και του πειράματος. "Παρ 'όλα αυτά, πίστευε ότι η πραγματική ύπαρξη των ατόμων ήταν φιλοσοφικά αδύνατη. Ο Λαβουαζιέ απέδειξε ότι οι οργανισμοί αποσυναρμολογούν και ανασυνθέτουν τον ατμοσφαιρικό αέρα (δηλ. καταναλώνουν το οξυγόνο) κατά τον ίδιο τρόπο όπως η καύση ενός σώματος.

Με τον Πιερ Σιμόν Λαπλάς (Pierre - Simon Laplace), ο Λαβουαζιέ χρησιμοποίησε ένα θερμιδομετρητή για να εκτιμήσει τη θερμότητα που εκλύεται ανά μονάδα παραγομένου διοξειδίου του άνθρακα. Βρήκαν τον ίδιο λόγο για τη φλόγα και τα ζώα, δείχνοντας ότι τα ζώα παράγουν ενέργεια από ένα είδος καύσης. Ο Λαβουαζιέ πίστευε στην θεωρία των ριζών, πιστεύοντας ότι οι ρίζες, οι οποίες λειτουργούν ως ενιαία ομάδα σε μια χημική αντίδραση, ενώνονται με το οξυγόνο στις αντιδράσεις. Πίστευε ότι όλα τα οξέα περιέχουν οξυγόνο. Επίσης, ανακάλυψε ότι το διαμάντι είναι μια κρυσταλλική μορφή του άνθρακα. Ο Λαβουαζιέ έκανε πολλές θεμελιώδεις συνεισφορές στην επιστήμη της χημείας. Μετά από την εργασία του Λαβουαζιέ, η χημεία απέκτησε μια αυστηρή ποσοτική φύση, επιτρέποντας να γίνουν αξιόπιστες προβλέψεις. Η επανάσταση που έφερε στη χημεία ήταν αποτέλεσμα μια συνειδητής προσπάθειας για να ταιριάζουν όλα τα πειράματα στο πλαίσιο μιας ενιαίας θεωρίας. Επέβαλε τη χρήση του χημικού ζυγού, χρησιμοποίησε το οξυγόνο για να ανατρέψει τη θεωρία του φλογιστού, και ανέπτυξε ένα νέο σύστημα της χημικής ονοματολογίας. Ο Λαβουαζιέ αποκεφαλίστηκε κατά τη διάρκεια της Γαλλικής Επανάστασης.

Ο Βόλτα και η βολταϊκή στήλη

Βολταϊκή στήλη.

Ο Ιταλός φυσικός Αλεσάντρο Βόλτα (Alessandro Volta) κατασκεύασε μια συσκευή για τη συγκέντρωση μεγάλου ηλεκτρικού φορτίου από μια σειρά επαγωγών και γειώσεων. Ερεύνησε τη ανακάλυψη του 1780 του «ζωικού ηλεκτρισμού» από τον Λουίτζι Γκαλβάνι (Luigi Galvani), και διαπίστωσε ότι το ηλεκτρικό ρεύμα παράγεται από την επαφή των ανόμοιων μετάλλων, και ότι το πόδι του βατράχου ενεργεί απλά σαν ανιχνευτής. Ο Βόλτα αποδεικνύει το 1794 ότι όταν τα δύο μέταλλα και πανί ή χαρτόνι εμποτισμένα σε άλμη διατάσσονται σε ένα κύκλωμα παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα.

Το 1800, ο Βόλτα στοίβαξε αρκετά ζεύγη εναλλασσόμενων δίσκων χαλκού ή αργύρου και ψευδαργύρου (ηλεκτρόδια) που χωρίζονται από ύφασμα ή χαρτόνι εμποτισμένο με άλμη (ηλεκτρολύτη) για να αυξήσει την αγωγιμότητα του ηλεκτρολύτη. Όταν η άνω και κάτω επαφές συνδέθηκαν με ένα σύρμα, ένα ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσα από τη βολταϊκή στοίβα και το καλώδιο σύνδεσης. Έτσι, ο Βόλτα πιστώνεται με την κατασκευή του πρώτου ηλεκτρικού συσσωρευτή για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Η μέθοδος του Βόλτα δηλαδή το στοίβαγμα δίσκων χαλκού και ψευδαργύρου διαχωριζόμενων από δίσκους από χαρτόνι εμποτισμένο με διάλυμα άλατος έχει ονομαστεί βολταϊκή στήλη.

Έτσι, ο Βόλτα θεωρείται ο ιδρυτής της επιστήμης της ηλεκτροχημείας. Ένα γαλβανικό στοιχείο (ή βολταϊκό στοιχείο) είναι ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο που αποδίδει ηλεκτρική ενέργεια από την αυθόρμητη αντίδραση οξειδοαναγωγής που λαμβάνει χώρα στο εσωτερικό του στοιχείου. Αποτελείται συνήθως από δύο διαφορετικά μέταλλα που συνδέονται με μια γέφυρα άλατος, ή μεμονωμένα ημιστοιχεία που διαχωρίζονται από μία πορώδη μεμβράνη.

Ο 19ος αιώνας

Το 1802, ο γαλλοαμερικανός χημικός και βιομήχανος Éleuthère Irénée du Pont, ο οποίος έμαθε την κατασκευή της πυρίτιδας και εκρηκτικών υλών υπό τον Αντουάν Λωράν Λαβουαζιέ, ίδρυσε μια εταιρία κατασκευής πυρίτιδας στο Delaware που είναι γνωστή ως EI du Pont de Nemours and Company. Η Γαλλική Επανάσταση ανάγκασε την οικογένειά του να μετοικήση στις Ηνωμένες Πολιτείες, όπου ο du Pont έφτιαξε ένα εργοστάσιο πυρίτιδας στις όχθες του ποταμού Brandywine στο Delaware. Θέλοντας να κάνει την καλύτερη δυνατή μπαρούτι, ο du Pont ήταν σχολαστικός σχετικά με την ποιότητα των υλικών που χρησιμοποιούνται. Για 32 χρόνια, ο du Pont διετέλεσε πρόεδρος της E.I. du Pont de Nemours and Company, η οποία τελικά εξελίχθηκε σε μια από τις μεγαλύτερες και πιο επιτυχημένες εταιρείες στην Αμερική.

Κατά τη διάρκεια του 19ου αιώνα, η χημεία διαιρέθηκε μεταξύ εκείνων που ακολούθησαν την ατομική θεωρία του Τζων Ντάλτον (John Dalton) και εκείνων που διαφώνησαν, όπως Wilhelm Ostwald και Ερνστ Μαχ (Ernst Mach). Αν και τέτοιοι υποστηρικτές της ατομικής θεωρίας, όπως ο Αμεντέο Αβογκάντρο (Amedeo Avogadro) και ο Λούντβιχ Μπόλτσμαν (Ludwig Boltzmann) σημείωσαν μεγάλη πρόοδο στην εξήγηση της συμπεριφοράς των αερίων, η διαφωνία αυτή δεν καταλάγιασε παρά μόνον όταν ο Ζαν Μπατίστ Περέν (Jean Perrin) έκανε την πειραματική διερεύνηση της ατομικής εξήγηση του Αϊνστάιν για την Κίνηση Μπράουν στην πρώτη δεκαετία του 20ου αιώνα.

Αλλά αρκετά πριν την τελική διευθέτηση της διαφωνίας πολλοί είχαν ήδη εφαρμόσει την έννοια του ατομισμού στη χημεία. Ένα σημαντικό παράδειγμα ήταν η θεωρία της ηλεκτρολυτικής διάστασης του Σβάντε Αρρένιους (Svante Arrhenius 1859 – 1927) που πρόβλεψε ιδέες για τον πυρήνα των ατόμων που δεν αναπτύχθηκαν πλήρως παρά μόνο τον 20ο αιώνα. Ο Μάικλ Φαραντέι (Michael Faraday 1791–1867) ήταν ένας άλλος πρώιμος εργάτης, του οποίου η σημαντική συμβολή στη χημεία ήταν η ηλεκτροχημεία, σύμφωνα με την οποία (μεταξύ άλλων) μια ορισμένη ποσότητα ηλεκτρισμού κατά την ηλεκτρόλυση ή ηλεκτροαπόθεση των μετάλλων αποδείχθηκε να συνδέεται με ορισμένη ποσότητα χημικών στοιχείων. Έτσι σταθερές ποσότητες στοιχείων αντιστοιχίζονται μεταξύ τους με συγκεκριμένες αναλογίες. Τα ευρήματα αυτά, όπως και εκείνο των «απλών πολλαπλασίων του Ντάλτον», ήταν από τις πρώτες ενδείξεις για την ατομική φύση της ύλης.

Τζων Ντάλτον

Ο Τζων Ντάλτον έχει μείνει στην ιστορία για το έργο του σχετικά με τις μερικές πιέσεις αερίων, την αχρωματοψία, και την ατομική θεωρία

Στα 1803, ο άγγλος μετεωρολόγος και χημικός Τζων Ντάλτον πρότεινε τον νόμο του Ντάλτον, ο οποίος περιγράφει τη σχέση μεταξύ των συστατικών ενός μίγματος αερίων και τη μερική πίεση καθενός. Η έννοια αυτή ανακαλύφθηκε το 1801, είναι επίσης γνωστή ως νόμο των μερικών πιέσεων του Ντάλτον. Ο Ντάλτον το 1803 επίσης πρότεινε μια σύγχρονη ατομική θεωρία στην οποία αναφέρεται ότι όλη η ύλη αποτελείται από μικρά αδιαίρετα σωματίδια που ονομάζονται άτομα, τα άτομα ενός συγκεκριμένου στοιχείου διαθέτουν μοναδικά χαρακτηριστικά και το βάρος, και υπάρχουν τρεις τύποι ατόμων: τα απλά (στοιχεία), οι ενώσεις (απλά μόρια ) και τα σύμπλοκα (σύνθετα μόρια). Το 1808 Ντάλτον, δημοσίευσε το πρώτο «Νέο Σύστημα της Χημικής Φιλοσοφίας» (1808-1827), στο οποίο καταγράφεται η πρώτη σύγχρονη επιστημονική περιγραφή της ατομικής θεωρίας. Το έργο αυτό έδωσε τον ορισμό των χημικών στοιχείων, σαν ένα συγκεκριμένο τύπο του ατόμου, και έτσι, απορρίπτει την θεωρία του Νεύτωνα για τις χημικές συγγένειες.

Αντ' αυτού, ο Ντάλτον υπολογίζει τις αναλογίες των στοιχείων στις ενώσεις υπολογίζοντας τις αναλογίες των βαρών των αντιδρώντων σωμάτων, και θέτοντας το ατομικό βάρος του υδρογόνου για να είναι ίσο με ένα. Μετά Jeremias Benjamin Richter (γνωστός για την εισαγωγή του όρου στοιχειομετρία), πρότεινε ότι τα χημικά στοιχεία ενώνονται με ακέραιες αναλογίες. Αυτό είναι γνωστό ως ο νόμος των πολλαπλών αναλογιών ή νόμος του Ντάλτον, και ο Ντάλτον έδωσε τη σαφή περιγραφή του νόμου στο «Νέο σύστημα της Χημικής Φιλοσοφίας». Ο νόμος των πολλαπλών αναλογιών είναι ένας από τους βασικούς νόμους της στοιχειομετρίας που χρησιμοποιείται για την ατομική θεωρία. Παρά τη σημασία του έργου καθόσον περιέχει την πρώτη άποψη ότι τα άτομα είναι πραγματικές φυσικές οντότητες και την εισαγωγή ενός συστήματος χημικών συμβόλων, στο «Νέο Σύστημα της Χημικής Φιλοσοφίας» αφιέρωσε σχεδόν τόσο χώρο για την θερμιδική θεωρία όσο για τον ατομισμό. Ο Γάλλος χημικός Ζοζέφ Προυστ (Joseph Proust), με βάση διάφορα πειράματα που διεξήχθησαν μεταξύ 1797 και 1804, πρότεινε το νόμο των «σταθερών αναλογιών», στον οποίο αναφέρει ότι τα στοιχεία πάντα ενώνονται με μικρές, ακέραιες αριθμητικές αναλογίες για να σχηματίσουν ενώσεις. Μαζί με τον νόμο των πολλαπλών αναλογιών, ο νόμος των «σταθερών αναλογιών» αποτελεί τη βάση της στοιχειομετρίας. Ο νόμος των καθορισμένων αναλογιών και η σταθερή σύνθεση δεν αποδεικνύουν ότι υπάρχουν άτομα, αλλά είναι δύσκολο να ερμηνευτούν χωρίς να υποθέσουμε ότι οι χημικές ενώσεις σχηματίζονται όταν τα άτομα συνδυάζονται σε σταθερές αναλογίες.

Γιονς Γιάκομπ Μπερζέλιους

Ο Γιονς Γιάκομπ Μπερζέλιους, ο χημικός που επινόησε την σύγχρονη χημική ονοματολογία και θεωρείται ένας από τους πατέρες της σύγχρονης χημείας

Ένας Σουηδός χημικός και μαθητής του Ντάλτον, ο Γιονς Γιάκομπ Μπερζέλιους (Jöns Jacob Berzelius) ξεκίνησε ένα συστηματικό πρόγραμμα για να προσπαθήσουν να κάνουν ακριβείς και σαφείς ποσοτικές μετρήσεις και να διασφαλίσουν την καθαρότητα των χημικών ουσιών. Μαζί με τους Λαβουαζιέ, Μπόιλ, και Ντάλτον, ο Μπερζέλιους είναι γνωστός ως ο πατέρας της σύγχρονης χημείας. Το 1828 συνέταξε έναν πίνακα με τα σχετικά ατομικά βάρη, όπου για το οξυγόνο ορίστηκε σε 100, και ο οποίος περιελάμβανε όλα τα στοιχεία που ήταν γνωστά εκείνη την εποχή. Το πρόγραμμα αυτό προσκόμισε αποδεικτικά στοιχεία υπέρ της ατομικής θεωρίας του Ντάλτον: ότι δηλαδή οι ανόργανες χημικές ενώσεις που αποτελούνται από άτομα που ενώνονται σε ακέραιο αριθμό. Καθόρισε τα ακριβή στοιχειώδη συστατικά μεγάλου αριθμού ενώσεων. Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν έντονα τον νόμο του Προυστ της «σταθερών αναλογιών». Για το βάρος, χρησιμοποίησε το οξυγόνο ως πρότυπο, στο βάρος του οποίου έδωσε την τιμή 100. Μέτρησε επίσης τα βάρη των 43 στοιχείων. Με την ανακάλυψη ότι τα ατομικά βάρη δεν είναι ακέραια πολλαπλάσια του βάρους του υδρογόνου, ο Μπερζέλιους διέψευσε επίσης την υπόθεση του Προυστ ότι τα στοιχεία είναι χτισμένα από άτομα υδρογόνου.

Παρακινημένος από τους εκτεταμένους προσδιορισμούς των ατομικών βαρών που έκανε και την επιθυμία να βοηθήσει τα πειράματά του, ο ίδιος εισήγαγε το κλασσικό σύστημα των χημικών συμβόλων και την χημική γραφή με το έργο «Lärbok i Kemien» που δημοσίευσε το 1808, στο οποίο τα στοιχεία συντομογραφούνται με ένα ή δύο γράμματα από το Λατινικό τους όνομα. Αυτό το σύστημα της χημικής γραφής - στο οποίο στα στοιχεία δόθηκαν απλές ετικέτες, όπως Ο για το οξυγόνο, ή Fe για το σίδηρο, και οι αναλογίες σημειώνονται με αριθμούς - είναι το ίδιο βασικό σύστημα που χρησιμοποιείται σήμερα. Η μόνη διαφορά είναι ότι αντί του δείκτη που χρησιμοποιείται σήμερα (π.χ. Η₂Ο), ο Μπερζέλιους χρησιμοποιούσε εκθέτη (H²O). Ο Μπερζέλιους πιστώνεται με την ταυτοποίηση των χημικών στοιχείων: πυρίτιο, σελήνιο, θόριο και δημήτριο. Φοιτητές που εργάζονταν στο εργαστήριο του Μπερζέλιους ανακάλυψαν επίσης το λίθιο και το βανάδιο.

Ο Μπερζέλιους ανέπτυξε τη θεωρία της χημικής ένωσης των ριζών, η οποία υποστηρίζει ότι οι αντιδράσεις εμφανίζονται καθώς σταθερές ομάδες ατόμων που τις ονόμασε ρίζες ανταλλάσσονται μεταξύ των μορίων. Πίστευε ότι τα άλατα είναι ενώσεις ενός οξέος και βάσεων, και ανακάλυψε ότι τα ανιόντα στα οξέα θα πρέπει να έλκονται από ένα θετικό ηλεκτρόδιο (άνοδος), ενώ τα κατιόντα μίας βάσης θα πρέπει να έλκονται από ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο (κάθοδος). Ο Μπερζέλιους δεν πίστευε στη θεωρία του Βιταλισμού, αλλά, αντίθετα, σε μια ρυθμιστική δύναμη που επέφερε την οργάνωση των ιστών σε έναν οργανισμό. Ο Μπερζέλιους επίσης πιστώνεται με εισαγωγή των χημικών όρων "κατάλυση", "πολυμερές", «ισομερές», και αλλοτροπία, αν και οι αρχικοί ορισμοί του διαφέρουν δραματικά από τους σύγχρονους. Για παράδειγμα, ο ίδιος επινόησε τον όρο « πολυμερές» το 1833 για να περιγράψει οργανικές ενώσεις οι οποίες μοιράζονται τον ίδιο εμπειρικό τύπο, αλλά οι οποίες διέφεραν στο συνολικό μοριακό τους βάρος. Η μεγαλύτερη από τις ενώσεις περιγράφεται ως «πολυμερής» της μικρότερης. Με βάση αυτόν τον παλιό ορισμό που δεν ελάμβανε υπ’ όψιν του την συντακτική δομή, η γλυκόζη (C₆H₁₂O₆) θεωρήθηκε ως ένα πολυμερές της φορμαλδεΰδης (CH₂O).

Νέα στοιχεία και οι νόμοι των αερίων

Ο Χάμφρι Ντέιβι, που ανακάλυψε πολλά αλκάλια και αλκαλικές γαίες.

Ο Άγγλος χημικός Χάμφρι Ντέιβι (Humphry Davy) ήταν πρωτοπόρος στον τομέα της ηλεκτρόλυσης, χρησιμοποιώντας την βολταϊκή στήλη του Αλεσάντρο Βόλτα για να διασπάσει κοινές ενώσεις και έτσι να απομονώσει μια σειρά από νέα στοιχεία. Πήγε να ηλεκτρολύσει τήγματα αλάτων και ανακάλυψε διάφορα νέα μέταλλα, όπως το νάτριο και το κάλιο, ιδιαίτερα δραστικά στοιχεία γνωστά σαν αλκαλιμέταλλα. Το κάλιο, το πρώτο μέταλλο που απομονώθηκε με την ηλεκτρόλυση, ανακαλύφθηκε το 1807 από τον Ντέιβι, ο οποίος το απομόνωσε από την καυστική ποτάσα (ΚΟΗ). Πριν από τον 19ο αιώνα, δεν γίνεται καμία διάκριση μεταξύ καλίου και νατρίου. Το Νάτριο απομονώθηκε για πρώτη φορά από τον Ντέιβι το ίδιο έτος με τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος διαμέσου τηγμένου υδροξειδίου του νατρίου (ΝαΟΗ). Όταν Ντέιβι άκουσε ότι οι Μπερζέλιους και Pontin παρασκεύασαν αμάλγαμα ασβεστίου ηλεκτρολύοντας ασβέστη σε υδράργυρο, το δοκίμασε και ο ίδιος. Ο Ντέιβι ήταν επιτυχής, και ανακάλυψε το ασβέστιο το 1808 από ηλεκτρόλυση ενός μείγματος ασβέστη και οξειδίου του υδραργύρου. Εργάστηκε με την ηλεκτρόλυση σε όλη τη ζωή του και το 1808, απομόνωσε το μαγνήσιο, το στρόντιο και το βάριο.

Ο Ντέιβι επίσης πειραματίστηκε με τα αέρια εισπνέοντας τα. Αυτή η πειραματική διαδικασία αποδείχτηκε σχεδόν μοιραία σε αρκετές περιπτώσεις, αλλά οδήγησε στην ανακάλυψη των ασυνήθιστων επιδράσεων του υποξειδίου του αζώτου, το οποίο έγινε γνωστό ως αέριο του γέλιου. Το χλώριο ανακαλύφθηκε το 1774 από τον Σουηδό χημικό Καρλ Βίλχελμ Σέελε (Carl Wilhelm Scheele), ο οποίος το αποκάλεσε «αποφλογισμένο θαλάσσιο οξύ» (βλ. θεωρία φλογιστού) και λανθασμένα πίστευε ότι περιείχε οξυγόνο. Ο Σέελε παρατήρησε αρκετές ιδιότητες του αερίου χλωρίου, όπως την λεύκανση της σκόνης ηλιοτροπίου, την θανατηφόρα επίδραση στα έντομα, το κίτρινο - πράσινο χρώμα, και την ομοιότητα της μυρωδιάς του με εκείνη του βασιλικού νερού (aqua regia). Ωστόσο, ο Σέελε δεν ήταν σε θέση να δημοσιεύσει τα ευρήματά του εγκαίρως. Το 1810, δόθηκε στο χλώριο το σημερινό όνομά του από τον Χάμφρι Ντέιβι (προέρχεται από την ελληνική λέξη για το χλωμό-πράσινο), ο οποίος επέμεινε ότι το χλώριο ήταν στην πραγματικότητα ένα νέο στοιχείο. Επίσης έδειξε ότι οξυγόνο δεν μπορούσε να ληφθεί από την ουσία γνωστή ως οξυμουριατικό οξύ (oxymuriatic acid -διάλυμα HCl). Αυτή η ανακάλυψη ανέτρεψε τον ορισμό του Λαβουαζιέ περί των οξέων, ότι είναι ενώσεις του οξυγόνου. Ο Ντέιβι ήταν ένας δημοφιλής ομιλητής και ικανός πειραματιστής.

Ζοζέφ Λουί Γκαι-Λυσάκ και νόμος του Γκαι-Λυσάκ

Ζοζέφ Λουί Γκαι-Λυσάκ, who stated that the ratio between the volumes of the reactant gases and the products can be expressed in simple whole numbers.

Ο γάλλος χημικός Ζοζέφ Λουί Γκαι-Λυσάκ (Joseph Louis Gay-Lussac) συμμερίστηκε το ενδιαφέρον του Λαβουαζιέ και άλλων στην ποσοτική μελέτη των ιδιοτήτων των αερίων. Από το πρώτο μεγάλο ερευνητικό πρόγραμμα του το 1801-1802, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ίσοι όγκοι όλων των αερίων διαστέλλονται εξίσου με την ίδια αύξηση της θερμοκρασίας: το συμπέρασμα αυτό που συνήθως ονομάζεται "Νόμος του Σαρλ", καθώς ο Γκαι-Λυσάκ έδωσε πίστωση στον Ζακ Σαρλ (Jacques Charles), ο οποίος είχε φθάσει σχεδόν στο ίδιο συμπέρασμα το 1780, αλλά δεν είχε δημοσιευθεί. Ο νόμος ανακαλύφθηκε ανεξάρτητα από τον Βρετανό φιλόσοφο-φυσικό Τζων Ντάλτον από το 1801, αν και η περιγραφή του Ντάλτον ήταν πιο επιφανειακή από αυτή του Γκαι-Λυσάκ. Το 1804 ο Γκαι-Λυσάκ έκανε αρκετές τολμηρές αναβάσεις σε ύψος πάνω από 7.000 μέτρα πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας με αερόστατα γεμισμένα με υδρογόνο, ένα κατόρθωμα που δεν ισοφαρίστηκε για τα επόμενα 50 χρόνια, και που του επέτρεψε να διερευνήσει και άλλες πτυχές των αερίων. Όχι μόνο συγκέντρωσε μετρήσεις του μαγνητικού πεδίου της γης σε διάφορα ύψη, αλλά και πήρε την πίεση, τη θερμοκρασία, και μετρήσεις της υγρασίας αλλά και συνέλεξε και δείγματα του αέρα, τα οποία αργότερα ανέλυσε χημικά.

Το 1808 ο Ζοζέφ Λουί Γκαι-Λυσάκ ανακοίνωσε αυτό που ίσως ήταν και το μεγαλύτερο επίτευγμα του. Από τα δικά του, αλλά και από τα πειράματα άλλων, συμπέρανε ότι τα αέρια σε σταθερή θερμοκρασία και πίεση ενώνονται με απλές αριθμητικές αναλογίες κατ' όγκο, και το προκύπτον προϊόν ή τα προϊόντα-αν είναι αέρια -και έχουν μια απλή αναλογία κατ' όγκο με τους όγκους των αντιδρώντων. Με άλλα λόγια, τα αέρια υπό ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης αντιδρούν μεταξύ τους σε αναλογίες μικρών ακέραιων αριθμών (κατ' όγκο). Το συμπέρασμα αυτό, στη συνέχεια έγινε γνωστό ως «νόμος του Γκαι-Λυσάκ» ή ως «Νόμος των συνδυασμένων όγκων". Με τον συνάδελφο του καθηγητή του στο École Polytechnique, Λουί Ζακ Τενάρ (Louis Jacques Thenard), ο Γκαι-Λυσάκ συμμετείχε επίσης στην πρώιμη ηλεκτροχημική έρευνα, διερευνώντας τα στοιχεία που ανακαλύφθηκαν με τη βοήθεια της. Μεταξύ των άλλων επιτευγμάτων τους, αποσύνθεσαν το βορικό οξύ χρησιμοποιώντας λιωμένο κάλιο, και έτσι ανακάλυψαν το στοιχείο βόριο. Οι δύο τους έλαβαν επίσης μέρος στις συζητήσεις της εποχής για να τροποποιήσουν τον ορισμό του Λαβουαζιέ περί οξέων και να προωθήσουν το πρόγραμμα του για την ανάλυση οργανικών ενώσεων για το οξυγόνο τους και το περιεχόμενο σε υδρογόνο.

Το Ιώδιο, ο Μπερνάρ Κουρτουά και ο Χάμφρι Ντέιβι

Το στοιχείο ιώδιο ανακαλύφθηκε από τον Γάλλο χημικό Μπερνάρ Κουρτουά (Bernard Courtois) το 1811. Ο Κουρτουά έδωσε δείγματα στους φίλους του, Charles Bernard Desormes (1777-1862) και στο Nicolas Clément (1779-1841), για να συνεχίσουν την έρευνα. Έδωσε, επίσης, αρκετή από την ουσία στον Γκαι-Λυσάκ και στον φυσικό Αντρέ Μαρί Αμπέρ. Στις 6 Δεκεμβρίου, 1813, ο Γκαι-Λυσάκ ανακοίνωσε ότι η νέα ουσία ήταν είτε ένα στοιχείο ή μια ένωση του οξυγόνου. Ο Γκαι-Λυσάκ ήταν αυτός που πρότεινε το όνομα "ιώδιο", από την ελληνική λέξη ιώδες για το βιολετί (λόγω του χρώματος των ατμών ιωδίου). Ο Αμπέρ είχε δώσει μερικά από τα δείγματα του στον Χάμφρι Ντέιβι. Ο Ντέιβι έκανε κάποια πειράματα με την ουσία και σημείωσε την ομοιότητά της με το χλώριο. Ο Ντέιβι έστειλε μια επιστολή με ημερομηνία 10 Δεκεμβρίου στο Royal Society του Λονδίνου δηλώνοντας ότι είχε εντοπίσει ένα νέο στοιχείο. Μεταξύ των Ντέιβι και Γκαι-Λυσάκ ξέσπασε πόλεμος από επιχειρήματα πάνω στο ποιος εντόπισε το ιώδιο πρώτος, αλλά και οι δύο επιστήμονες αναγνώρισαν τον Κουρτουά ως τον πρώτο που απομόνωσε το στοιχείο.

Το 1815, ο Χάμφρι Ντέιβι εφηύρε τη λάμπα Ντέιβι, η οποία επέτρεψε στους ανθρακωρύχους να εργάζονται μέσα σε ανθρακωρυχεία με ασφάλεια παρά την παρουσία εύφλεκτων αερίων. Υπήρξαν πολλές εκρήξεις στα ορυχεία που προκαλούντο από τα εκρηκτικά αέρια ή το μεθάνιο που συχνά παίρνουν φωτιά από τις φλόγες των λαμπτήρων που χρησιμοποιούν οι ανθρακωρύχοι. Ο Ντέιβι συνέλαβε την ιδέα να χρησιμοποιήσουν μια γάζα σιδήρου για να περικλείουν τη φλόγα του λαμπτήρα, και έτσι να προλαμβάνουν την μετάδοση της καύσης από το εσωτερικό του λαμπτήρα στην εξωτερική ατμόσφαιρα όπου πιθανώς υπήρχε μεθάνιο. Αν και η ιδέα του λαμπτήρα ασφαλείας έχει ήδη διατυπωθεί από τον William Reid Clanny και από τον τότε άγνωστο (αλλά αργότερα πολύ γνωστό) μηχανικό George Stephenson, η χρήση συρμάτινου πλέγματος από τον Ντέιβι για την πρόληψη της εξάπλωσης της φλόγας χρησιμοποιήθηκε από πολλούς άλλους εφευρέτες αργότερα στα δικά τους σχέδια. Υπήρξε κάποια συζήτηση ως προς το εάν ο Ντέιβι είχε ανακαλύψει τις θεωρητικές αρχές πίσω από το λάμπα του με ή χωρίς τη βοήθεια του έργου του Smithson Tennant, αλλά ήταν γενικά αποδεκτό ότι το έργο των δύο ανδρών ήταν ανεξάρτητο. Ο Ντέιβι αρνήθηκε να πατεντάρει τη λάμπα, και η εφεύρεσή του τον οδήγησε στο να λάβει το μετάλλιο Rumford το 1816.

Αμεντέο Αβογκάντρο και ο Νόμος του Αβογκάντρο

Αμεντέο Αβογκάντρο, στον οποίο οφείλεται η θεωρία ότι: ίσοι όγκοι οποιονδήποτε αερίων ή ατμών, όταν βρίσκονται κάτω από την ίδια πίεση και θερμοκρασία, περιέχουν τον ίδιο αριθμό μορίων. Η θεωρία αυτή ονομάστηκε Νόμος του Αβογκάντρο.

Αφού ο Ντάλτον δημοσίευσε την ατομική θεωρία του το 1808, ορισμένες από τις κεντρικές ιδέες του σύντομα υιοθετήθηκαν από τους περισσότερους χημικούς. Ωστόσο, για μισό αιώνα ακόμα συνεχίστηκε η αβεβαιότητα όσον αφορά το πώς θα διαμορφωθεί η ατομικής θεωρία και πως θα εφαρμοστεί σε συγκεκριμένες καταστάσεις. Χημικοί σε διαφορετικές χώρες είχαν αναπτύξει ορισμένα δικά τους διαφορετικά και ασύμβατα ατομιστικά συστήματα. Ένα έγγραφο που πρότεινε μια διέξοδο από αυτή τη δύσκολη κατάσταση, δόθηκε στη δημοσιότητα το 1811 από τον Ιταλό φυσικό Αμεντέο Αβογκάντρο (Amedeo Avogadro 1776-1856), ο οποίος υπέθεσε ότι ίσοι όγκοι αερίων στην ίδια θερμοκρασία και πίεση περιέχουν τον ίδιο αριθμό μορίων, και συνεπώς ο λόγος των σχετικών μοριακών βαρών δύο οποιονδήποτε αέρια είναι ίδιος με τον λόγο των πυκνοτήτων των δύο αερίων υπό τις ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης. Ο Αβογκάντρο διατύπωσε επίσης την άποψη ότι τα απλά αέρια δεν σχηματίζονται από μοναχικά άτομα, αλλά αντ' αυτού ήταν ενώσεις (μόρια) από δύο ή περισσότερα άτομα. Έτσι ο Αβογκάντρο ήταν σε θέση να ξεπεράσει τις δυσκολίες που ο Ντάλτον και άλλοι αντιμετώπισαν όταν Γκαι-Λυσάκ ανέφερε ότι πάνω από 100 °C, ο όγκος των υδρατμών ήταν δύο φορές ο όγκος του οξυγόνου που χρησιμοποιείται για να σχηματιστεί το νερό. Σύμφωνα με τον Αβογκάντρο, το μόριο του οξυγόνου είχε χωριστεί σε δύο άτομα στην διαδικασία σχηματισμού των υδρατμών.

Η υπόθεση του Αβογκάντρο ότι ίσοι όγκοι αερίων περιέχουν τον ίδιο αριθμό μορίων είχε παραμεληθεί για μισό αιώνα μετά την πρώτη έκδοσή της. Έχουν αναφερθεί πολλοί λόγοι για αυτή την παραμέληση, συμπεριλαμβανομένων και ορισμένων θεωρητικών προβλημάτων, όπως ο «δυϊσμός» του Μπερζέλιους, ο οποίος υποστήριξε ότι οι ενώσεις σχηματίζονται από την έλξη των θετικών και αρνητικών ηλεκτρικών φορτίων, γεγονός που καθιστά αδιανόητο ότι ένα μόριο που αποτελείται από δύο ηλεκτρικά όμοια άτομα - όπως στο οξυγόνο - θα μπορούσε να υπάρχει. Ένα επιπλέον εμπόδιο για την αποδοχή ήταν το γεγονός ότι πολλοί χημικοί ήταν απρόθυμοι να υιοθετήσουν φυσικές μεθόδους (όπως προσδιορισμοί πυκνότητας ατμών) για να λύσουν τα προβλήματά τους. Μέχρι τα μέσα του αιώνα, ωστόσο, ορισμένες κορυφαίες προσωπικότητες είχαν αρχίσει να θεωρούν ανυπόφορη τη χαοτική πολλαπλότητα των ανταγωνιστικών συστημάτων ατομικών βαρών και μοριακών τύπων. Επιπλέον, άρχισαν να αναφύονται ξεκάθαρα χημικά δεδομένα που υπονοούσαν ότι η προσέγγιση του Αβογκάντρο μπορεί να ήταν σωστή. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1850, οι νεότεροι χημικοί, όπως ο Αλεξάντερ Γουίλιαμσον (Alexander Williamson) στην Αγγλία, ο Charles Gerhardt και ο Charles-Adolphe Wurtz στη Γαλλία, και ο Αύγουστος Κέκουλε στη Γερμανία, άρχισαν να υποστηρίζουν τη μεταρρύθμιση της θεωρητικής χημείας ώστε να είναι συνεπές με τη θεωρία του Αβογκάντρο.

Ο Βέλερ και η συζήτηση για τη ζωτική δύναμη (Vis vitalis)

Ουρία: Συντακτικός τύπος

Το 1825, ο Φρήντριχ Βέλερ Friedrich Wöhler και ο Γιούστους φον Λήμπιχ (Justus von Liebig) πραγματοποίησαν την πρώτη επιβεβαιωμένη ανακάλυψη και επεξήγηση των ισομερών, όπως νωρίτερα ονομάστηκαν από τον Μπερζέλιους. Εργαζόμενοι με το κυανικό οξύ (H-O-C≡N) και fulminic οξύ(H-C=N-O), ορθώς συνήγαγαν ότι η ισομέρεια προκλήθηκε από τις διαφορετικές διάταξη των ατόμων μέσα σε μια μοριακή δομή. Το 1827, ο William Prout κατέταξε βιομόρια στις σύγχρονες ομάδες τους: τους υδατάνθρακες, τις πρωτεΐνες και τα λιπίδια. Αφού διακανονίστηκε η φύση της καύσης, ξεκίνησε μια άλλη διαφωνία, για τη ζωτικότητα και την ουσιαστική διάκριση μεταξύ οργανικών και ανόργανων ουσιών. Η αμφισβήτηση της ζωτικότητας το 1828 ήταν μια επανάσταση, όταν ο Φρήντριχ Βέλερ συνθέτει ουρία, τεκμηριώνοντας με αυτό το τρόπο ότι οι οργανικές ενώσεις θα μπορούσαν να παραχθούν από ανόργανες πρώτες ύλες και έτσι ανασκεύασε τη θεωρία της ζωτικότητας "ζωτική δύναμη". Ποτέ πριν δεν είχε συντεθεί μια οργανική ένωση από ανόργανα υλικά.

Αυτό άνοιξε ένα νέο πεδίο έρευνας στη χημεία, και μέχρι το τέλος του 19ου αιώνα, οι επιστήμονες ήταν σε θέση να συνθέσουν εκατοντάδες των οργανικών ενώσεων. Οι πιο σημαντικές από αυτές είναι το μωβ, η ματζέντα και άλλες συνθετικές χρωστικές ουσίες, καθώς και το ευρέως χρησιμοποιούμενο φάρμακο ασπιρίνη. Η ανακάλυψη της τεχνητής σύνθεσης της ουρίας συνέβαλε σε μεγάλο βαθμό στη θεωρία της ισομέρειας, καθώς οι εμπειρικοί χημικοί τύποι, για την ουρία και το κυανικού αμμωνίου είναι ίδιες (βλ. σύνθεση Βέλερ). Το 1832, ο Φρήντριχ Βέλερ και ο Γιούστους φον Λήμπιχ ανακάλυψαν και εξήγησαν τις χαρακτηριστικές ομάδες και τις ρίζες σε σχέση με την οργανική χημεία, καθώς και τη πρώτη σύνθεση της βενζαλδεΰδη. Ο Λήμπιχ, ένας Γερμανός χημικός, έκανε σημαντικές συνεισφορές στη γεωργία και της βιολογικής χημείας, και εργάστηκε για την οργάνωση της οργανικής χημείας. Ο Λήμπιχ θεωρείται ο "πατέρας του κλάδου των λιπασμάτων" για την ανακάλυψη του αζώτου ως απαραίτητο θρεπτικό συστατικό των φυτών, και τη διατύπωση του νόμου του Ελαχίστου οποία περιγράφει το αποτέλεσμα των μεμονωμένων θρεπτικών συστατικών στις καλλιέργειες.

Στα μέσα του 1800

Το 1840, ο Germain Hess πρότεινε το νόμο του Hess, μια πρώιμη δήλωση του νόμου της διατήρησης της ενέργειας, η οποία ορίζει ότι η ενεργειακή μεταβολή σε μία χημική διεργασία εξαρτάται μόνο από την αρχική και τελική κατάσταση και όχι από το συγκεκριμένο μονοπάτι που ακολούθησαν τα αντιδρώντα για να μεταβούν από την αρχική στην τελική κατάσταση. Το 1847, Hermann Kolbe παρασκεύασε οξικό οξύ από εντελώς ανόργανες πρώτες ύλες, αποδομώντας περαιτέρω τον βιταλισμό (ζωτικότητα). Το 1848, ο Ουίλιαμ Τόμσον (William Thomson), ο 1ος βαρώνος του Kelvin (κοινώς γνωστός ως Λόρδος Κέλβιν) καθιέρωσε την έννοια του απόλυτου μηδέν, η θερμοκρασία στην οποία παύει όλη η μοριακή κίνηση. Το 1849, ο Λουί Παστέρ (Louis Pasteur) ανακάλυψε ότι η ρακεμική μορφή του τρυγικού οξέος είναι ένα μείγμα της αριστερόστροφης και δεξιόστροφης μορφής, διευκρινίζοντας έτσι τη φύση της οπτικής στροφικής ικανότητας και ανοίγοντας έτσι το πεδίο της στερεοχημείας. Το 1852, Αύγουστος Beer πρότεινε το νόμο του Beer, ο οποίος εξηγεί τη σχέση μεταξύ της περιεκτικότητας ενός μείγματος και της ποσότητας του φωτός που θα απορροφήσει. Βασίστηκε εν μέρει σε προηγούμενες εργασίες των Pierre Bouguer και Γιόχαν Χάινριχ Λάμπερτ (Johann Heinrich Lambert), και καθιέρωσε την αναλυτική τεχνική γνωστή ως φασματομετρία. Το 1855, ο Benjamin Silliman Jr, πρωτοστάτησε στις μεθόδους πυρόλυσης του πετρελαίου, η οποία έκανε δυνατόν να αναπτυχθεί το σύνολο της σύγχρονης βιομηχανίας πετροχημικών.

Ο Στανισλάο Κανιτζάρο και η σύσκεψη της Καρλσρούης

Formulas of acetic acid given by August Kekulé in 1861.

Η υπόθεση Αβογκάντρο άρχισε να κερδίζει ευρεία αποδοχή μεταξύ των χημικών μόνο μετά το 1858 όταν ο συμπατριώτης και συνάδελφος του Αβογκάντρο, Στανισλάο Κανιτζάρο (Stanislao Cannizzaro) κατάφερε να αποδείξει την αξία της, δύο χρόνια μετά το θάνατο του Αβογκάντρο. Τα χημικά ενδιαφέροντα του Κανιτζάρο αρχικά ήταν σε φυσικά προϊόντα και στις αντιδράσεις των αρωματικών ενώσεων. Το 1853 ανακάλυψε ότι όταν κατεργάζεται τη βενζαλδεΰδη με πυκνή βάση, παράγονται βενζοϊκό οξύ και βενζυλική αλκοόλη, ένα φαινόμενο που είναι γνωστό σήμερα ως αντίδραση Κανιτζάρο (Cannizzaro). Σε ένα φυλλάδιο του 1858, ο Κανιτζάρο έδειξε ότι η πλήρης αποδοχή των ιδεών του Αβογκάντρο θα μπορούσε να χρησιμεύσει στην κατασκευή μιας συνεπούς και ισχυρής θεωρητικής δομής για τη Χημεία όπου να ταιριάζουν σχεδόν όλα τα διαθέσιμα εμπειρικά δεδομένα. Για παράδειγμα, τόνισε την σημασία των δεδομένων που υποδηλώνουν ότι δεν είναι διατομικά όλα τα αέρια στοιχεία άλλα αντίθετα σε ορισμένες περιπτώσεις ήταν μονοατομικά, τα περισσότερα ήταν διατομικά, και λίγα ήταν πιο περίπλοκα.

Ένα άλλο σημείο διαφωνίας ήταν οι χημικοί τύποι για τις ενώσεις των αλκαλίων (όπως το νάτριο) και των αλκαλικών γαιών (όπως το ασβέστιο), οι οποίοι, κατά την άποψη των περισσότερων χημικών που ακολουθούσαν αυστηρά το νόμο των χημικών αναλογιών, θα έπρεπε να έχουν την ίδια μορφή. Ο Κανιτζάρο υποστήριξε ότι η τοποθέτηση αυτών των μετάλλων σε διάφορες κατηγορίες θα είχε ευεργετικό αποτέλεσμα, επειδή απαλείφονται κάποιες ανωμαλίες που παρατηρούνται κατά τη χρήση των φυσικών τους ιδιοτήτων για τον υπολογισμό των ατομικών βαρών. Δυστυχώς, το φυλλάδιο του 1858 του Κανιτζάρο δημοσιεύθηκε αρχικά μόνο στην ιταλική γλώσσα και είχε μικρή άμεση επίπτωση.

Η πραγματική επανάσταση ήρθε με ένα διεθνές χημικό συνέδριο που πραγματοποιήθηκε στη γερμανική πόλη της Καρλσρούης το Σεπτέμβριο του 1860, οπου ήταν παρόντες οι περισσότεροι από τους κορυφαίους χημικούς της Ευρώπης. Η σύσκεψη της Καρλσρούης οργανώθηκε από τον Κεκουλέ, τον Wurtz, και μερικούς άλλους που μοιράστηκαν την αίσθηση του Κανιτζάρο σχετικά με την κατεύθυνση που πρέπει να ακολουθήσει η χημεία. Μιλώντας στα γαλλικά (όπως έκαναν και όλοι εκεί), ο Κανιτζάρο με την ευγλωττία του και τη λογική του άφησε μια ανεξίτηλη εντύπωση στους παρόντες. Επιπλέον, ο φίλος του Angelo Pavesi διένειμε στους συμμετέχοντες το φυλλάδιο του Κανιτζάρο στο τέλος της συνάντησης. Περισσότεροι από ένας χημικοί έγραψαν αργότερα για την αποφασιστική εντύπωση που τους έκανε η ανάγνωση του εγγράφου. Για παράδειγμα, ο Γιούλιους Λόταρ Μέγιερ έγραψε αργότερα ότι κατά την ανάγνωση του εγγράφου του Κανιτζάρο, «Η ζυγαριά φαίνεται να πέφτει από τα μάτια μου». Έτσι ο Κανιτζάρο έπαιξε καθοριστικό ρόλο στο να κερδιθεί η μάχη για τη μεταρρύθμιση. Το σύστημα που υποστηρίχθηκε από αυτόν, και σύντομα έκτοτε υιοθετήθηκε από τους περισσότερους κορυφαίους χημικούς, είναι ουσιαστικά ταυτόσημο με αυτό που χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα.

Perkin, Κρουκς, και Νόμπελ

Το 1856, ο Sir William Henry Perkin, ηλικίας 18, αποδεχόμενος μια πρόκληση από τον καθηγητή του, August Wilhelm von Hofmann, προσπάθησε να συνθέσει την κινίνη, που είναι ένα φάρμακο για την καταπολέμηση της ελονοσίας, από λιθανθρακόπισσα. Σε μία προσπάθεια, ο Perkin οξείδωσε ανιλίνη χρησιμοποιώντας διχρωμικό κάλιο, το οποίο περιείχε ακαθαρσίες τουλουϊδίνης που αντέδρασαν με την ανιλίνη και έδωσαν ένα μαύρο στερεό, ένδειξη ότι μια οργανική σύνθεση "απέτυχε". Κατά τον καθαρισμό της φιάλης με αλκοόλη, ο Perkin παρατήρησε μωβ χρώμα στο διάλυμα και έτσι ανακαλύφθηκε ότι ένα υποπροϊόν της αποτυχημένης προσπάθειας ήταν η πρώτη συνθετική βαφή, γνωστή ως μωβεΐνη ή μωβ του Perkin. Η ανακάλυψη του Perkin είναι το θεμέλιο της βιομηχανικής σύνθεσης χρωστικών, που είναι μια από τις πρώτες επιτυχημένες χημικές βιομηχανίες.

Η σημαντικότερη μεμονωμένη συμβολή του γερμανού χημικού Άουγκουστ Κεκουλέ (August Kekulévon Stradonitz) ήταν δομική θεωρία του για την οργανική σύνθεση, που αναπτύσσεται σε δύο άρθρα που δημοσιεύτηκαν το 1857 και το 1858. Αναπτύσσονται κατόπιν με μεγάλη λεπτομέρεια στις σελίδες του εξαιρετικά δημοφιλούς «Εγχειρίδιο Οργανικής Χημείας" (Lehrbuch der organischen Chemie), του οποίου ο πρώτος τόμος εμφανίστηκε το 1859 και σταδιακά επεκτάθηκε σε τέσσερις τόμους. Ο Κεκουλέ υποστήριξε ότι τα άτομα του τετρασθενούς άνθρακα - ο οποίος σχηματίζει ακριβώς τέσσερις χημικούς δεσμούς - θα μπορούσαν να συνδεθούν μεταξύ τους για να σχηματίσουν αυτό που αποκάλεσε «ανθρακική αλυσίδα » ή «ανθρακικό σκελετό», και στον οποίο θα μπορούσαν να συνδεθούν άλλα άτομα με άλλα σθένη (όπως το υδρογόνο, το οξυγόνο, το άζωτο και το χλώριο). Ήταν πεπεισμένος ότι ήταν δυνατό για το χημικό να προσδιορίσει αυτή τη λεπτομερή μοριακή αρχιτεκτονική τουλάχιστον για τις απλούστερες οργανικές ενώσεις που ήταν γνωστές στην εποχή του. Ο Κεκουλέ δεν ήταν ο μόνος χημικός που έκανε τέτοιους ισχυρισμούς εκείνη την εποχή. Η σκωτσέζος χημικός Archibald Couper Scott δημοσίευσε μια ουσιαστικά παρόμοια θεωρία σχεδόν ταυτόχρονα, και ο Ρώσος χημικός Aleksandr Butlerov έκανε πολλά για να αποσαφηνίσει και να επεκτείνει τη δομική θεωρία. Ωστόσο, κατά κύριο λόγο οι ιδέες του Κεκουλέ ήταν εκείνες που επικρατούσαν στην κοινότητα χημικών.

A Crookes tube (2 views): light and dark. Electrons travel in straight lines from the cathode (left), as evidenced by the shadow cast from the Maltese cross on the fluorescence of the righthand end. The anode is at the bottom wire.

Ο Βρετανός χημικός και φυσικός Ουίλιαμ Κρουκς (William Crookes) είναι γνωστός για τις μελέτες των καθοδικών ακτίνων, το θεμέλιο της ανάπτυξης της ατομικής φυσικής. Οι έρευνές του στις ηλεκτρικές εκκενώσεις μέσα από ένα αραιό αέριο τον οδήγησε να παρατηρήσει τη σκοτεινό χώρο γύρω από την κάθοδο, που σήμερα ονομάζεται σκοτεινός χώρος Κρουκς. Απέδειξε ότι οι καθοδικές ακτίνες ταξιδεύουν σε ευθείες γραμμές και παράγουν φωσφορισμός και θερμότητα όταν χτυπήσουν ορισμένα υλικά. Όντας πρωτοπόρος των σωλήνων κενού, ο Κρουκς εφηύρε το σωλήνα Κρουκς - ένα πρώτο πειραματικό σωλήνα εκκένωσης, με μερικό κενό με τον οποίο μελέτησαν τη συμπεριφορά των καθοδικών ακτίνων. Με την εισαγωγή της ανάλυσης του φάσματος από τους Ρόμπερτ Μπούνσεν (Robert Bunsen) και Γκούσταβ Κίρχοφ (Gustav Kirchhoff 1859-1860), ο Κρουκς εφάρμοσε τη νέα τεχνική για τη μελέτη των ενώσεων του σεληνίου. Οι Μπούνσεν και Κίρχοφ είχαν χρησιμοποιήσει προηγουμένως τη φασματοσκοπία ως μέσο χημικής ανάλυσης για να ανακαλύψουν το καίσιο και το ρουβίδιο. Το 1861, ο Κρουκς χρησιμοποιώντας αυτή τη διαδικασία ανακάλυψε το θάλλιο σε ορισμένα ιζήματα σεληνίου. Συνέχισε την εργασία του σε αυτό το νέο στοιχείο, το απομόνωσε, μελέτησε τις ιδιότητες του, και το 1873 καθορίζει το ατομικό του βάρος. Κατά τη διάρκεια των σπουδών του στο θάλλιο, ο Κρουκς ανακάλυψε την αρχή του ραδιόμετρου Κρουκς, μια συσκευή που μετατρέπει τη φωτεινή ακτινοβολία σε περιστροφική κίνηση. Η αρχή αυτού του ραδιόμετρου έχει βρει πολλές εφαρμογές στην ανάπτυξη ευαίσθητων οργάνων μέτρησης.

Το 1862, ο Αλέξανδρος Parkes παρουσίασε την παρκεζίνη (Parkesine), ένα από τα πρώτα συνθετικά πολυμερή, στη Διεθνή Έκθεση στο Λονδίνο. Αυτή η ανακάλυψη αποτέλεσε το θεμέλιο της σύγχρονης βιομηχανίας πλαστικών. Το 1864, Cato Maximilian Guldberg και Peter Waage, με βάση τις ιδέες του Κλωντ Λουί Μπερτολέ, πρότειναν το νόμο δράσης των μαζών. Το 1865, ο Johann Josef Loschmidt προσδιορίζει τον ακριβή αριθμό των μορίων σε ένα mole, που αργότερα ονομάστηκε Αριθμός Αβογκάντρο.

Το 1865, ο Αύγουστος Κεκουλέ, βασιζόμενος εν μέρει στο έργο του Loschmidt και άλλων, εδραίωσε τη δομή του βενζολίου ως ένα δαχτυλίδι με έξι άτομα άνθρακα με εναλλασσόμενους απλούς και διπλούς δεσμούς. Η νέα αυτή πρόταση του Κεκουλέ για κυκλική δομή του βενζολίου αμφισβητήθηκε πολύ, αλλά ποτέ δεν αντικαταστάθηκε από μια ανώτερη θεωρία. Αυτή η θεωρία παρείχε την επιστημονική βάση για τη δραματική επέκταση της γερμανικής χημικής βιομηχανίας κατά το τελευταίο τρίτο του 19ου αιώνα. Σήμερα, η μεγάλη πλειοψηφία των γνωστών οργανικών ενώσεων είναι αρωματικές, και όλες τους περιέχουν τουλάχιστον ένα εξαγωνικό βενζολικό δακτύλιο του είδους που υποστήριξε ο Κεκουλέ. Ο Κεκουλέ λοιπόν είναι γνωστός γιατί διευκρίνισε τη φύση των αρωματικών ενώσεων, οι οποίες είναι ενώσεις που βασίζονται στο μόριο του βενζολίου. Το 1865, ο Αδόλφος φον Μπάιερ (Adolf von Baeyer) άρχισε την εργασία του για το χρώμα ίντιγκο (λουλακί), ένα ορόσημο στην σύγχρονη βιομηχανική οργανική χημεία που έφερε επανάσταση στη βιομηχανία των χρωμάτων.

Ο σουηδός χημικός και εφευρέτης Άλφρεντ Νόμπελ διαπίστωσε ότι όταν η νιτρογλυκερίνη ενσωματώθηκε σε ένα απορροφητικό αδρανές υλικό όπως το πυριτικό άλευρο (γη των διατόμων) έγινε ασφαλέστερο και πιο βολικό να την χειριστεί, και κατοχύρωσε αυτό το μείγμα ως δυναμίτη με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το 1867. Ο Νόμπελ αργότερα συνδύασε την νιτρογλυκερίνη με διάφορες ενώσεις νιτροκυτταρίνης, παρόμοιες με το κολλόδιο, αλλά κατέληξε σε μια πιο αποτελεσματική συνταγή που χρησιμοποιεί ένα άλλο εκρηκτικό το νιτρικό νάτριο ή κάλιο (Νίτρο της Χιλής), και έλαβε μια διαφανή ουσία σαν ζελέ, η οποία ήταν μια πιο ισχυρή εκρηκτική ύλη από τον δυναμίτη. Η ζελατοδυναμίτιδα ή εκρηκτική ζελατίνη, όπως ονομάστηκε, είχε πατέντα το 1876, και ακολουθήθηκε από ένα πλήθος παρόμοιων συνδυασμών.

Ο Περιοδικός πίνακας του Μεντελέγιεφ

Ντμίτρι Μεντελέγιεφ, responsible for organizing the known chemical elements in a periodic table.

Κύρια άρθρα: Ντμίτρι Μεντελέγιεφ, Περιοδικός Πίνακας, και η Ιστορία του περιοδικού πίνακα

Μια σημαντική εξέλιξη στην κατανόηση της λίστας των γνωστών χημικών στοιχείων (καθώς και στην κατανόηση της εσωτερικής δομής των ατόμων), ήταν η ανάπτυξη από τον Ντμίτρι Μεντελέγιεφ του πρώτου σύγχρονου περιοδικού πίνακα, ή περιοδική κατάταξη των στοιχείων. Ο Μεντελέγιεφ, ένας Ρώσος χημικός, θεώρησε ότι υπήρχε κάποιο είδος τάξης με τα στοιχεία και ξόδεψε περισσότερα από δεκατρία χρόνια της ζωής του, για τη συλλογή δεδομένων και τη συναρμολόγηση της ιδέας του, ξεκινώντας με την επίλυση κάποιας από την αταξία που υπήρχε στον τομέα για χάρη των μαθητών του. Ο Μεντελέγιεφ διαπίστωσε ότι, όταν όλα τα γνωστά χημικά στοιχεία ήταν τοποθετημένα κατά σειρά αυξανόμενου ατομικού βάρους, ο πίνακας που προκύπτει εμφανίζει ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο, ή μια περιοδικότητα ιδιοτήτων μεταξύ των στοιχείων. Ο νόμος του Μεντελέγιεφ, του επέτρεψε να δημιουργήσει ένα συστηματικό περιοδικό πίνακα όλων των 66 στοιχείων που ήταν τότε γνωστά, στηριζόμενος στην ατομική μάζα, και τον δημοσίευσε στο Αρχές της Χημείας το 1869. Ο πρώτος Περιοδικός Πίνακας του συντάχθηκε με βάση την διάταξη των στοιχείων σε αύξουσα σειρά ατομικού βάρους και την ομαδοποίησή τους με βάση την ομοιότητα των ιδιοτήτων.

Ο Μεντελέγιεφ είχε τέτοια πίστη στην εγκυρότητα του περιοδικού νόμου του ώστε πρότεινε αλλαγές στις γενικά αποδεκτές τιμές για το ατομικό βάρος κάποιων στοιχείων, και στην έκδοση του περιοδικού πίνακα του 1871, προέβλεψε τις θέσεις στον πίνακα αγνώστων μέχρι τότε στοιχείων μαζί με τις ιδιότητές τους. Προέβλεψε τις πιθανές ιδιότητες των τριών ακόμη μη ανακαλυφθέντων στοιχείων, τα οποία ονόμασε εκαβόριο (Eb), εκααλουμίνιο (Ea) και εκαπιρίτιο (Es), η οποία αποδείχθηκε ότι είναι μια καλή πρόβλεψη των ιδιοτήτων του σκανδίου, γαλλίου, και γερμανίου, αντίστοιχα, και που το καθένα ήρθε να γεμίσει εκείνο το σημείο στον περιοδικό πίνακα που είχε μείνει κενό από τον Mendeleev.

Κατά την πρώτη του το περιοδικό σύστημα δεν κεντρίζει το ενδιαφέρον μεταξύ των χημικών. Ωστόσο, με την ανακάλυψη των προβλεπόμενων στοιχείων, γάλλιο το 1875, σκάνδιο το 1879, και γερμάνιο το 1886, άρχισε να κερδίζει ευρεία αποδοχή. Η επακόλουθη απόδειξη πολλών από τις προβλέψεις του κατά τη διάρκεια της ζωής του έφερε φήμη ως ιδρυτή του περιοδικού νόμου. Η οργάνωση αυτή ξεπέρασε τις προηγούμενες απόπειρες ταξινόμησης όπως αυτή του Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois, ο οποίος δημοσίευσε το τελλουρικό έλικα, μια πρώιμη, τρισδιάστατη έκδοση του περιοδικού πίνακα των στοιχείων το 1862, ή την άλλη του Τζων Νιούλαντς (John Newlands), ο οποίος πρότεινε τον νόμο των οκτάβων (πρόδρομος του περιοδικού νόμου) το 1864, ή αυτή του Γιούλιους Λόταρ Μέγιερ το 1864, ο οποίος επίσης ανέπτυξε μια πρώιμη έκδοση του περιοδικού πίνακα με 28 στοιχεία που διατάχθηκαν με βάση το σθένους. Ο Πίνακας του Μεντελέγιεφ δεν περιλαμβάνει κανένα από τα ευγενή αέρια, όμως, η οποία δεν είχε ακόμη ανακαλυφθεί. Σταδιακά ο περιοδικός νόμος και ο πίνακας έγιναν το πλαίσιο για ένα μεγάλο μέρος της θεωρίας της χημείας. Μέχρι τη στιγμή που ο Μεντελέγιεφ πέθανε το 1907, απολαμβάνει διεθνούς αναγνώρισης και έχει λάβει διακρίσεις και βραβεία από πολλές χώρες.

Το 1873, ο Ιάκωβος Ερρίκος βαν'τ Χοφ (Jacobus Henricus van 't Hoff) και ο Ζοζέφ λε Μπελ (Joseph Achille Le Bel), που εργάζονταν ανεξάρτητα, ανέπτυξαν ένα μοντέλο για τους χημικούς δεσμούς που εξηγεί τα πειράματα χειρομορφισμού (ασυμμετρία) του Παστέρ και παρείχε το φυσικό αίτιο για την οπτική δραστικότητα των χειραλικών ενώσεων. Η δημοσίευση του βαν'τ Χοφ, που ονομάζεται "Voorstel tot Uitbreiding der Tegenwoordige σε de Scheikunde gebruikte Structuurformules in de Ruimte", (Πρόταση για την ανάπτυξη των 3 διαστατών χημικών συντακτικών τύπων) και αποτελείται από δώδεκα σελίδες κειμένου και μια σελίδα με διαγράμματα, έδωσε την ώθηση για την ανάπτυξη της στερεοχημείας. Η έννοια των «ασύμμετρων ατόμων άνθρακα", που αναπτύσσεται στην παρούσα έκδοση, παρείχε μια εξήγηση για την εμφάνιση των πολυάριθμων ισομερών, που ήταν ανεξήγητη μέσω των μέχρι τότε συντακτικών τύπων. Ταυτόχρονα επεσήμανε την ύπαρξη σχέσης μεταξύ της οπτικής δραστικότητας και της παρουσίας ενός ασύμμετρου ατόμου άνθρακα.

Τζοσάια Γουίλαρντ Γκιμπς

Τζοσάια Γουίλαρντ Γκιμπς formulated a concept of thermodynamic equilibrium of a system in terms of energy and entropy. He also did extensive work on chemical equilibrium, and equilibria between phases.

Κύρια άρθρα: Τζοσάια Γουίλαρντ Γκιμπς και η Στατιστική μηχανική

Η εργασία του Αμερικανού μαθηματικού και φυσικού Τζοσάια Γουίλαρντ Γκιμπς (Josiah Willard Gibbs) σχετικά με τις εφαρμογές της θερμοδυναμικής έπαιξε σημαντικό ρόλο στην μετατροπή της φυσικής χημείας σε μια αυστηρή επαγωγική επιστήμη. Κατά τη διάρκεια των ετών 1876-1878, ο Γκιμπς εργάστηκε στις αρχές της θερμοδυναμικής, εφαρμόζοντάς τες στις πολύπλοκες διαδικασίες που εμπλέκονται στις χημικές αντιδράσεις. Ανακάλυψε την έννοια του χημικού δυναμικού, ή αλιώς το "καύσιμο" που κινεί τις χημικές αντιδράσεις. Το 1876 δημοσίευσε τη πιο διάσημη συμβολή του, "Πάνω στην ισορροπία των ετερογενών ουσιών», μια συλλογή από το έργο του στην θερμοδυναμική και τη φυσικοχημεία όπου έθεσε την έννοια της ελεύθερης ενέργειας για να εξηγήσει τη φυσική βάση της χημικής ισορροπίας. Σε αυτά τα δοκίμια ήταν η εκκίνηση των θεωριών Γκιμπς για τις φάσεις της ύλης, που θεωρείται ότι κάθε κατάσταση της ύλης είναι μια φάση, και κάθε ουσία ένα συστατικό. Ο Γκιμπς πήρε όλες τις μεταβλητές που εμπλέκονται σε μια χημική αντίδραση - θερμοκρασία, πίεση, ενέργεια, όγκος και εντροπία - και τις συμπεριέλαβε σε μία απλή εξίσωση που είναι γνωστή ως ο κανόνας των φάσεων του Γκιμπς.

Μέσα σε αυτό το έγγραφο ήταν ίσως η πιο σημαντική συμβολή του, η εισαγωγή της έννοιας της ελεύθερης ενέργειας, που τώρα καθολικά ονομάζεται ελεύθερη ενέργεια Γκιμπς προς τιμήν του. Η ελεύθερη ενέργεια Γκιμπς αφορά την τάση ενός φυσικού ή χημικού συστήματος να μειώσει ταυτοχρόνως την ενέργεια του και να αυξήσει την αταξία του, ή εντροπία, σε μια αυθόρμητη φυσική διαδικασία. Η προσέγγιση του Gibbs επιτρέπει σε έναν ερευνητή να υπολογίσει τη μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας σε μια διαδικασία, όπως σε μία χημική αντίδραση, αλλά και πόσο γρήγορα θα συμβεί. Δεδομένου ότι σχεδόν όλες οι χημικές διεργασίες αλλά και πολλές φυσικές διεργασίες αφορούν τέτοιου είδους αλλαγές, το έργο του επηρέασε σημαντικά τόσο τις θεωρητικές όσο και τις πειραματικές πτυχές αυτών των επιστημών. Το 1877, ο Λούντβιχ Μπόλτσμαν (Ludwig Boltzmann) εγκαθιστά τη παραγωγή από στατιστική ανάλυση πολλών σημαντικών φυσικών και χημικών εννοιών, συμπεριλαμβανομένων της εντροπίας, και των κατανομών των μοριακών ταχυτήτων στην αέρια φάση. Μαζί με τον Boltzmann και τον Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ (James Clerk Maxwell), ο Γκιμπς δημιούργησε ένα νέο κλάδο της θεωρητικής φυσικής που ονομάζεται στατιστική μηχανική (ένας όρος που έπλασε ο ίδιος), εξηγώντας τους νόμους της θερμοδυναμικής ως συνέπειες των στατιστικών ιδιοτήτων των μεγάλων συνόλων σωματιδίων. Ο Γκιμπς επίσης εργάστηκε για την εφαρμογή των εξισώσεων του Μάξγουελ σε προβλήματα φυσικής οπτικής. Παραγωγή των φαινομενολογικών νόμων της θερμοδυναμικής από τις στατιστικές ιδιότητες των συστημάτων με πολλά σωματίδια που έκανε ο Γκιμπς παρουσιάστηκε σε ένα βιβλίο με εξαιρετική επιρροή "Οι Βασικές Αρχές στη Στατιστική Μηχανική", το οποίο δημοσιεύθηκε το 1902, ένα χρόνο πριν το θάνατό του. Σε αυτό το έργο, ο Γκιμπς ανακεφαλαιώνει τη σχέση μεταξύ των νόμων της θερμοδυναμικής και της στατιστικής θεωρίας των μοριακών κινήσεων. Το φαινόμενο της υποκατάστασης της αρχικής συνάρτησης με μερικό άθροισμα των σειρών Φουριέ στα σημεία ασυνέχειας είναι γνωστό ως το φαινόμενο Γκιμπς.

Τα τέλη του 19ου αιώνα

Ο Γερμανός μηχανικός Carl von Linde εφηύρε μια διαδικασία υγροποίησης αερίων σε μεγάλες ποσότητες και με συνεχή ροή. Έτσι σχηματίζεται η βάση για τη σύγχρονη τεχνολογία της ψύξης και παρέχεται η κινητήρια δύναμη και τα μέσα για τη διεξαγωγή επιστημονικής έρευνας σε χαμηλές θερμοκρασίες και πολύ υψηλό κενό. Ανέπτυξε ένα ψυγείο που λειτουργούσε με μεθυλαιθέρα (1874) και ένα ψυγείο αμμωνίας (1876). Αν και άλλες μονάδες ψύξης είχαν αναπτυχθεί νωρίτερα, αυτή του Linde ήταν η πρώτη που σχεδιάστηκε με στόχο τους ακριβείς υπολογισμούς της απόδοσης. Το 1895 ίδρυσε ένα εργοστάσιο για την παραγωγή υγρού αέρα σε μεγάλη κλίμακα. Έξι χρόνια αργότερα ανέπτυξε μια μέθοδο για το διαχωρισμό καθαρού υγρού οξυγόνου από το υγρό αέρα που οδήγησε σε μεγάλη αλλαγή των βιομηχανικών διεργασιών που χρησιμοποιούν οξυγόνο (π.χ., στην κατασκευή χάλυβα).

Το 1883, ο Σβάντε Αρρένιους (Svante Arrhenius) ανέπτυξε μια ιοντική θεωρία για να εξηγήσει την αγωγιμότητα στους ηλεκτρολύτες. Το 1884, ο Ιάκωβος Ερρίκος βαν'τ Χοφ δημοσίευσε το "Études de Dynamique chimique" (Μελέτες στη Δυναμική Χημεία), μια δημιουργική μελέτη για τη χημική κινητική. Με αυτό το έργο, ο βαν'τ Χοφ εισέρχεται για πρώτη φορά στο πεδίο της φυσικοχημείας. Ο ίδιος επίσης έδωσε την μεγάλης σημασίας σχέση της γενικής θερμοδυναμικής μεταξύ της θερμότητας της αντίδρασης και της μετατόπισης της θέσης της χημικής ισορροπίας, όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία. Σε σταθερό όγκο, η ισορροπία σε ένα σύστημα τείνει να μετατοπιστεί προς εκείνη τη κατεύθυνση που αναιρεί τη μεταβολή της θερμοκρασίας η οποία εφαρμόστηκε από το σύστημα. Έτσι, η μείωση της θερμοκρασίας οδηγεί στην έκλυση θερμότητας, ενώ αύξηση της θερμοκρασίας στην απορρόφηση θερμότητας. Αυτή η αρχή της δυναμικής ισορροπίας στη συνέχεια (1885), ετέθει σε μία πιο γενική μορφή από τον Henry Louis Le Chatelier, ο οποίος επέκτεινε την αρχή να καλύπτει την μεταβολή που θα προκύψει, από την αλλαγή του όγκου, η οποία επιβάλλεται από αλλαγή της πίεσης. Η αρχή van 't Hoff-Le Chatelier, ή απλά αρχή του Le Chatelier, εξηγεί την απόκριση της δυναμικής χημικής ισορροπίας στις εξωτερικές μεταβολές.

Το 1884, Εμίλ Φίσερ (Hermann Emil Fischer) βρήκε τη δομή των πουρινών (αρωματικές ετεροκυκλικές ενώσεις όπως η αδενίνη και γουανίνη στο DNA), που αποτελούν τη βασική δομή πολλών βιομορίων, και το 1899 συνέθεσε την πρώτη πουρίνη. Άρχισε επίσης τις εργασίες για τη χημεία της γλυκόζης και των συναφών σακχάρων. Το 1885, ο Ευγένιος Γκολντστάιν (Eugene Goldstein) ονόμασε τις καθοδικές ακτίνες που αργότερα ανακαλύφθηκε ότι αποτελούνται από ηλεκτρόνια, και τις ανοδικές ακτίνες ή θετική ακτίνα ή ακτίνες καναλιού, που αργότερα ανακαλύφθηκε ότι είναι τα θετικά ιόντα υδρογόνου που έχουν απογυμνωθεί από τα ηλεκτρόνια τους. Οι θετικές ακτίνες ανακαλύφθηκαν σε λαμπτήρα αερίου, ανάλογο με τον σωλήνα Κρουκς, όπου η κάθοδος ήταν διάτρητη (είχε κανάλια) και αργότερα θα ονομαστούν πρωτόνια. Το έτος 1885 χαρακτηρίστηκε επίσης από την δημοσίευση του βαν'τ Χοφ με τίτλο "L'Equilibre chimique dans les Systèmes gazeux ou à dissous I'État dilué" (Χημική ισορροπία σε αέρια συστήματα ή πολύ αραιωμένα διαλύματα), όπου ασχολήθηκε με χημική ισορροπία αραιών διαλυμάτων. Εδώ αποδεικνύεται ότι η «οσμωτική πίεση" σε διαλύματα τα οποία είναι επαρκώς αραιά είναι ανάλογη με τη συγκέντρωση και την απόλυτη θερμοκρασία, έτσι ώστε αυτή η πίεση μπορεί να βρεθεί από τον τύπο της καταστατικής εξίσωσης των αερίων με μόνο μια διαφορά κατά ένα συντελεστή i. Προσδιορίστηκε επίσης την τιμή του i με διάφορες μεθόδους, για παράδειγμα μέσω της πίεσης των ατμών (τάση ατμών) και των αποτελεσμάτων του Φρανσουά - Μαρί Ραούλ (François-Marie Raoult) για την ελάττωση του σημείου πήξης. Έτσι ο βαν'τ Χοφ μπόρεσε να αποδείξει ότι οι θερμοδυναμικοί νόμοι δεν ισχύουν μόνο για τα αέρια, αλλά και για αραιά διαλύματα. Οι νόμοι του για την πίεση, που πήραν γενικευμένη ισχύ με την θεωρία ηλεκτρολυτικής διάστασης του Αρρένιους (1884-1887) - ο πρώτος ξένος που ήρθε να δουλέψει μαζί του στο Άμστερνταμ (1888) - θεωρούνται οι πιο ολοκληρωμένοι και σημαντικοί στο χώρο των φυσικών επιστημών. Το 1893, ο Alfred Werner ανακάλυψε την οκταεδρική δομή των συμπλόκων του κοβαλτίου, καθιερώνοντας έτσι το πεδίο της χημείας των συμπλόκων.

Η ανακάλυψη των ευγενών αερίων από τον Ουίλιαμ Ράμσεϊ

Οι πιο γνωστές ανακαλύψεις του Σκώτου χημικού Ουίλιαμ Ράμσεϊ (William Ramsay) έγιναν στην ανόργανη χημεία. Ο Ράμσεϊ το 1892 ξεσηκώθηκε από την ανακάλυψη του Βρετανού φυσικού Τζον Ουίλιαμ Στρατ (John Strutt, 3ου Βαρώνος του Ρέιλι) που δήλωσε ότι το ατομικό βάρος του αζώτου στις χημικές ενώσεις ήταν χαμηλότερο από εκείνο του αζώτου που βρίσκεται στην ατμόσφαιρα. Ο Ρέιλι απέδωσε αυτή την διαφορά σε ένα ελαφρύ αέριο που υπέθεσε ότι υπήρχε στις χημικές ενώσεις του αζώτου, ενώ ο Ράμσεϊ εξέφρασε υπόνοιες για ένα μέχρι στιγμής άγνωστο βαρύ αέριο στον ατμοσφαιρικό αέρα. Χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικές μεθόδους για να απομακρύνει όλα τα γνωστά αέρια από τον αέρα, ο Ράμσεϊ και ο Λόρδος Ρέιλι ανακοίνωσαν το 1894 ότι είχαν βρει ένα μονοατομικό, χημικά αδρανές αέριο στοιχείο που αποτελούσε σχεδόν το 1 τοις εκατό της ατμόσφαιρας. Το ονόμασαν αργό.

Το επόμενο έτος, ο Ράμσεϊ απελευθέρωσε ένα άλλο αδρανές αέριο από ένα ραδιενεργό ορυκτό του ουρανίου που ονομάζεται κλεβεΐτης (cleveite). Αυτό αποδείχθηκε ότι είναι το ήλιο, που παλαιότερα ήταν γνωστό μόνο στο ηλιακό φάσμα. Στο βιβλίο του "Τα αέρια της Ατμόσφαιρας" (1896), ο Ράμσεϊ έδειξε ότι οι θέσεις του ηλίου και του αργού στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων υποδεικνύουν ότι μπορεί να υπάρχουν τουλάχιστον τρία ακόμα ευγενή αέρια. Το 1898 ο Ράμσεϊ και ο βρετανός χημικός Morris W. Travers απομόνωσε τα στοιχεία αυτά που ονομάζονται νέον, κρυπτό, και ξένο, από τον ατμοσφαιρικό αέρα σε υγρή κατάσταση σε χαμηλή θερμοκρασία και υψηλή πίεση. Ο Ουίλιαμ Ράμσεϊ συνεργάστηκε με τον Φρέντερικ Σόντυ (Frederick Soddy) να αποδείξει, το 1903, ότι τα σωματίδια άλφα (πυρήνες ηλίου) παράγονται συνεχώς κατά την ραδιενεργό διάσπαση ενός δείγματος ραδίου. Στον Ράμσεϊ απονεμήθηκε το 1904 το βραβείο Νόμπελ Χημείας σε αναγνώριση των "υπηρεσιών του στην ανακάλυψη των στοιχείων των αδρανών αερίων στον αέρα, και τον προσδιορισμό της θέσης τους στο περιοδικό σύστημα".

Το 1897, ο Τζόζεφ Τζον Τόμσον (J.J. Thomson) ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο χρησιμοποιώντας το σωλήνα καθοδικών ακτίνων. Το 1898, Βίλχελμ Βίεν (Wilhelm Wien) απέδειξε ότι οι ακτίνες καναλιού (θετικές ακτίνες δηλ. ροές θετικών ιόντων που ανακάλυψε ο Ευγένιος Γκολντστάιν το 1885) μπορεί να εκτρέπονται από το μαγνητικό πεδίο, και ότι η εκτροπή είναι ανάλογη προς το λόγο μάζας προς φορτίο. Αυτή η ανακάλυψη θα οδηγήσει στην σημερινή αναλυτική τεχνική γνωστή ως φασματομετρία μάζας.

Μαρία και Πιερ Κιουρί

Η Μαρία Κιουρί, πρωτοπόρος στη ραδιενέργεια. Δύο βραβεία Νόμπελ σε δύο διαφορετικές επιστήμες

Η Μαρία Κιουρί (Marie Skłodowska-Curie) ήταν πολωνικής καταγωγής Γαλλίδα φυσικός και χημικός η οποία είναι διάσημη για την πρωτοποριακή έρευνά της σχετικά με τη ραδιενέργεια. Αυτή και ο σύζυγός της, θεωρούνται ότι έχουν θέσει τον ακρογωνιαίο λίθο της πυρηνικής εποχής. Η Μαρία Κιουρί ήταν γοητευμένη από το έργο του Ανρί Μπεκερέλ (Henri Becquerel), ενός Γάλλου φυσικού που ανακάλυψε το 1896 ότι το ουράνιο εκπέμπει ακτίνες παρόμοιες με τις ακτίνες Χ που είχαν ανακαλυφθεί από τον Βίλχελμ Κόνραντ Ρέντγκεν (Wilhelm Conrad Röntgen). Η Κιουρί προχώρησε το έργο του Μπεκερέλ μερικά βήματα παραπέρα, εκτελώντας πειράματα για την ακτινοβολία του ουρανίου. Η Μαρία Κιουρί άρχισε να μελετά το ουράνιο στα τέλη του 1897 και διατύπωσε τη θεωρία, σύμφωνα με το άρθρο που έγραψε το 1904 για το περιοδικό Century, "ότι η εκπομπή των ακτίνων από τις ενώσεις του ουρανίου είναι μια ιδιότητα του μετάλλου του ίδιου - δηλ. ότι είναι μια ατομική ιδιότητα του στοιχείου ουρανίου ανεξάρτητη της χημικής ή φυσικής κατάστασης του." Ανακάλυψε ότι η ακτινοβολία παρέμεινε σταθερή. Δηλαδή προέρχεται από την ατομική δομή του στοιχείου. Αυτή η επαναστατική ιδέα δημιούργησε στον τομέα της ατομικής φυσικής και το ζεύγος Κιουρί έπλασαν τη λέξη ραδιενέργεια για να περιγράψουν το φαινόμενο.

Ο Πιερ Κιουρί.

Ο Πιερ και η Μαρία Κιουρί διερεύνησαν περαιτέρω τη ραδιενέργεια εργαζόμενοι για το διαχωρισμό των ουσιών από μεταλλεύματα ουρανίου και στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας το ηλεκτρόμετρο για να κάνουν μετρήσεις της ακτινοβολίας ώστε να ανιχνεύσουν το ελάχιστο άγνωστο ραδιενεργό στοιχείο μεταξύ των κλασμάτων που προέκυψαν. Δουλεύοντας με το ορυκτό πισσουρανίτη, το ζευγάρι ανακάλυψε το 1898 ένα νέο ραδιενεργό στοιχείο. Ονόμασαν το στοιχείο αυτό πολώνιο, από την πατρίδα της Μαρίας, την Πολωνία. Στις 21 Δεκεμβρίου 1898, το ζεύγος Κιουρί ανιχνεύουν τη παρουσία ενός άλλου ραδιενεργού υλικού στον πισσουρανίτη. Παρουσίασαν το εύρημα αυτό στην Γαλλική Ακαδημία των Επιστημών στις 26 Δεκεμβρίου, προτείνοντας το νέο στοιχείο να ονομάζεται ράδιο. Το ζεύγος Κιουρί στη συνέχεια πήγαν στη δουλειά απομονώνοντας το πολώνιο και το ράδιο από φυσικά συστατικά για να αποδείξουν ότι επρόκειτο για νέα στοιχεία. Το 1902, το ζεύγος Κιουρί ανακοίνωσαν ότι είχαν συλλέξει ένα δέκατο γραμμαρίου καθαρού ραδίου, αποδεικνύοντας την ύπαρξή του ως ένα ανεξάρτητο χημικό στοιχείο. Αν και χρειάστηκαν τρία χρόνια για να απομονώσουν το ράδιο, δεν μπόρεσαν ποτέ να απομονώσουν το πολώνιο. Μαζί με την ανακάλυψη των δύο νέων στοιχείων και των τεχνικών για την απομόνωση ραδιενεργών ισοτόπων, η Κιουρί επέβλεψε τις πρώτες μελέτες του κόσμου για την θεραπεία των νεοπλασιών, με χρήση ραδιενεργών ισοτόπων. Μαζί με τον Ανρί Μπεκερέλ και τον σύζυγός της, Πιερ Κιουρί, της απονεμήθηκε το 1903 το βραβείο Νόμπελ Φυσικής. Ήταν ο μοναδικός νικητής του 1911 για το βραβείο Νόμπελ για τη Χημεία. Ήταν η πρώτη γυναίκα που κέρδισε ένα βραβείο Νόμπελ, και είναι η μόνη γυναίκα που κέρδισε το βραβείο σε δύο διαφορετικά πεδία.

Παρά την εργασία του με τη Μαρία Κιουρί για να εξαγάγουν καθαρές ουσίες από τα μεταλλεύματα, μια επιχείρηση που πραγματικά απαιτεί βιομηχανικούς πόρους, αλλά αυτοί το επέτυχαν με σχετικά πρωτόγονες συνθήκες, ο ίδιος ο Πιερ Κιουρί επικεντρώθηκε στην φυσική μελέτη των νέων ακτινοβολιών, συμπεριλαμβανομένων των φωτεινών και χημικών επιδράσεων. Μέσω της δράσης των μαγνητικών πεδίων στις ακτίνες που εκπέμπονται από το ράδιο, απέδειξε την ύπαρξη σωματιδίων ηλεκτρικά φορτισμένων θετικά, αρνητικά και ουδέτερα. Αυτά ήταν που Έρνεστ Ράδερφορντ (Ernest Rutherford) αργότερα ονόμασε ακτίνες άλφα, βήτα και γάμμα. Ο Πιερ στη συνέχεια μελέτησε αυτές τις ακτινοβολίες με θερμιδομετρία και παρατήρησε επίσης τις επιδράσεις του ραδίου στη φυσιολογία των οργανισμών, ανοίγοντας έτσι το δρόμο για τη ραδιοθεραπεία. Μεταξύ των ανακαλύψεων του Πιερ Κιουρί ήταν ότι οι σιδηρομαγνητικές ουσίες εμφανίζουν μια κρίσιμη μεταβατική θερμοκρασία, πάνω από την οποία οι ουσίες χάνουν τη σιδηρομαγνητική συμπεριφορά τους - αυτό είναι γνωστό ως το "Σημείο Κιουρί". Εκλέχτηκε στην Ακαδημία των Επιστημών (1905), έχοντας λάβει από κοινού με την Μαρί από τη Royal Society το υψηλού κύρους Μετάλλιο Ντέιβι το 1903 και από κοινού μαζί της και με τον Μπεκερέλ το βραβείο Νόμπελ Φυσικής. Τον χτύπησε μια άμαξα στη λεωφόρο Dauphine στο Παρίσι το 1906 και πέθανε ακαριαία. Ολοκληρωμένα τα έργα του δημοσιεύτηκαν το 1908.

Έρνεστ Ράδερφορντ

Ο Έρνεστ Ράδερφορντ ανακάλυψε τον πυρήνα, θεωρείται ο πατέρας της πυρηνικής φυσικής

Γεννημένος στη Νέα Ζηλανδία ο χημικός και φυσικός Έρνεστ Ράδερφορντ (Ernest Rutherford) θεωρείται «ο πατέρας της πυρηνικής φυσικής." Ο Ράδερφορντ είναι γνωστός για την επινόηση των ονομάτων άλφα, βήτα, γάμμα για να ταξινομήσει τις διάφορες μορφές ραδιενεργών «ακτίνων» που ήταν ελάχιστα κατανοητές στην εποχή του. Οι άλφα και βήτα ακτίνες είναι δέσμες σωματιδίων, ενώ οι ακτίνες γάμμα είναι μια μορφή υψηλής ενέργειας ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία). Ο Ράδερφορντ εκτρέπει τις ακτίνες άλφα με ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία το 1903. Σε συνεργασία με τον Φρέντερικ Σόντυ (Frederick Soddy), ο Ράδερφορντ εξήγησε ότι η ραδιενέργεια οφείλεται στη μεταστοιχείωση των στοιχείων, που σήμερα είναι γνωστό ότι οφείλεται σε πυρηνικές αντιδράσεις.

Επάνω: Τα προβλεπόμενα αποτελέσματα σύμφωνα με το μοντέλο του σταφιδόψωμου. Κάτω: Τα παρατηρηθέντα αποτελέσματα. Ο Ράδερφορντ συμπέρανε ότι το θετικό φορτίο του ατόμου είναι συγκεντρωμένο σε έναν μικρό πυρήνα στο κέντρο του ατόμου.

Παρατήρησε επίσης ότι η ένταση της ραδιενέργειας ενός ραδιενεργού στοιχείου μειώνεται με την πάροδο ενός μοναδικού και κανονικού χρονικού διαστήματος και εισήγαγε το χρόνο "ημιζωής» των ραδιενεργών στοιχείων. Το 1901 και 1902 εργάστηκε με τον Φρέντερικ Σόντυ να αποδείξει ότι το άτομο ενός ραδιενεργού στοιχείου, θα μετατραπεί αυτόματα σε ένα άλλο, αποβάλλοντας ένα κομμάτι του ατόμου με μεγάλη ταχύτητα. Το 1906 στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, ο Ράδερφορντ επέβλεψε ένα πείραμα που πραγματοποιήθηκε από τους μαθητές του Χανς Γκάιγκερ (Hans Geiger) (γνωστό για το μετρητή Γκάιγκερ) και τον Ernest Marsden. Στο πείραμα Geiger-Marsden, μια δέσμη των σωματιδίων άλφα, που παράγεται από τη ραδιενεργό διάσπαση του ραδονίου, κατευθύνθηκε σε ένα πολύ λεπτό φύλλο χρυσού σε ένα κενό θάλαμο. Σύμφωνα με το επικρατούν μοντέλο του σταφιδόψωμου για τη δομή του ατόμου, τα σωματίδια άλφα έπρεπε όλα να έχουν περάσει από το φύλλο και να χτυπήσουν την οθόνη του ανιχνευτή, ή έχουν εκτραπεί από την ευθεία, το πολύ, λίγες μοίρες.

Όμως, τα πραγματικά αποτελέσματα εξέπληξαν τον Rutherford. Παρά το γεγονός ότι πολλά από τα σωματίδια περάσει μέσα από το φύλλο χρυσού, όπως ήταν αναμενόμενο, πολλά άλλα εκτράπηκαν σε μικρές γωνίες, ενώ άλλα αντανακλάστηκαν πίσω στην πηγή άλφα. Παρατήρησαν ότι ένα πολύ μικρό ποσοστό των σωματιδίων εκτράπηκε σε γωνίες πολύ μεγαλύτερες από 90 μοίρες. Το πείραμα του φύλλου χρυσού έδειξε μεγάλες εκτροπές για ένα μικρό κλάσμα των προσπιπτόντων σωματιδίων. Ο Ράδερφορντ συνειδητοποίησε ότι, επειδή ορισμένα από τα σωματίδια άλφα έχουν εκτραπεί ή αντανακλαστεί, το άτομο είχε ένα πυκνό κέντρο θετικού φορτίου και σχετικά μεγάλης μάζας που ο Ράδερφορντ αργότερα ονόμασε "ατομικό πυρήνα". Τα σωματίδια άλφα είτε είχαν χτυπήσει το θετικό κέντρο άμεσα ή είχαν περάσει αρκετά κοντά ώστε να επηρεαστούν από το θετικό φορτίο του. Δεδομένου ότι πολλά άλλα σωματίδια διήλθαν μέσα από το φύλλο χρυσού, το θετικό κέντρο θα πρέπει να έχει σχετικά μικρό μέγεθος σε σύγκριση με το υπόλοιπο του ατόμου - πράγμα που σημαίνει ότι το άτομο είναι ως επί το πλείστον ανοιχτός χώρος. Από τα αποτελέσματά του, ο Ράδερφορντ ανέπτυξε ένα μοντέλο του ατόμου που ήταν παρόμοιο με το ηλιακό σύστημα, γνωστό ως μοντέλο Ράδερφορντ. Όπως οι πλανήτες, έτσι και τα ηλεκτρόνια περιφέρονται σε τροχιά γύρω από ένα κεντρικό πυρήνα, σαν τον ήλιο μας. Για το έργο του με την ακτινοβολία και τον ατομικό πυρήνα, ο Ράδερφορντ έλαβε το βραβείο Νόμπελ Χημείας του 1908.

Ο 20ος αιώνας

Το πρώτο Συνέδριο του Solvay, πραγματοποιήθηκε στις Βρυξέλλες το 1911 και θεωρήθηκε ένα σημείο καμπής στον κόσμο της φυσικής και της χημείας.

Το 1903, ο Μιχαήλ Tsvet εφηύρε τη χρωματογραφία, μια σημαντική αναλυτική τεχνική. Το 1904, ο Hantaro Nagaoka προτείνει ένα πρώτο πυρηνικό μοντέλο για το άτομο, όπου τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από ένα πυκνό πυρήνα με μεγάλη μάζα. Το 1905, οι Fritz Haber και Carl Bosch ανέπτυξαν τη διαδικασία Haber για την παραγωγή αμμωνίας, ένα ορόσημο στη βιομηχανική χημεία με βαθιές συνέπειες στη γεωργία. Η διαδικασία Haber, ή διαδικασία Haber-Bosch, σε χρησιμοποιούσε την αντίδραση αζώτου και υδρογόνου για το σχηματισμό αμμωνίας σε βιομηχανικές ποσότητες για την παραγωγή λιπασμάτων και πυρομαχικών. Η παραγωγή τροφίμων για το ήμισυ του παγκόσμιου τρέχοντος πληθυσμού εξαρτάται από αυτή τη μέθοδο για την παραγωγή λιπασμάτων. Ο Haber, μαζί με τον Max Born, προτείνει τον κύκλο Born-Haber ως μέθοδο για τον υπολογισμό της ενέργειας πλέγματος ενός ιονικού στερεού. Ο Haber έχει επίσης χαρακτηριστεί ως ο «πατέρας του χημικού πολέμου" λόγω των εργασιών για την ανάπτυξη του και την εφαρμογή του χλωρίου και άλλων δηλητηριωδών αερίων κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκοσμίου Πολέμου.

Ο Robert A. Millikan, ο οποίος είναι γνωστός για τη μέτρηση του φορτίου του ηλεκτρονίου, κέρδισε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1923.

Το 1905, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν εξήγησε την κίνηση Brown με έναν τρόπο που αποδεικνύει οριστικά την ατομική θεωρία. Ο Leo Baekeland εφηύρε τον βακελίτη, ένα από τα πρώτα εμπορικά επιτυχημένα πλαστικά. Το 1909, Αμερικανός φυσικός Robert Andrews Millikan - που είχε σπουδάσει στην Ευρώπη υπό των Walther Nernst και Max Planck - μετράει το φορτίο των μεμονωμένων ηλεκτρονίων με πρωτοφανή ακρίβεια μέσω του πειράματος της σταγόνας λαδιού, στο οποίο μέτρησε τα ηλεκτρικά φορτία σε μικροσκοπικά σταγονίδια νερού και αργότερα λαδιού. Η μελέτη του διαπίστωσε ότι το ηλεκτρικό φορτίο κάθε συγκεκριμένου σταγονιδίου είναι πολλαπλάσιο μιας συγκεκριμένης, θεμελιώδους τιμής - φορτίο του ηλεκτρονίου - και ως εκ τούτου αποτελεί επιβεβαίωση ότι όλα τα ηλεκτρόνια έχουν το ίδιο φορτίο και τη ίδια μάζα. Αρχίζοντας το 1912, πέρασε αρκετά χρόνια ερευνώντας και τελικά αποδεικνύει τη γραμμική σχέση, που πρότεινε ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, μεταξύ της ενέργειας και της συχνότητας, και παρέχει την πρώτη άμεση φωτοηλεκτρική επιβεβαίωση για τη σταθερά του Planck. Το 1923 ο Millikan τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής.

Το 1909, ο S.P.L. Sørensen επινόησε την έννοια του pH και αναπτύσσει μεθόδους για τη μέτρηση της οξύτητας. Το 1911, ο Antonius Van den Broek πρότεινε την ιδέα ότι τα στοιχεία στον περιοδικό πίνακα είναι πιο σωστά τακτοποιημένα αν χρησιμοποιηθεί το θετικό πυρηνικό φορτίο (δηλ. ο σημερινός ατομικός αριθμός) και όχι το ατομικό βάρος. Το 1911, το πρώτο Συνέδριο Solvay, πραγματοποιήθηκε στις Βρυξέλλες, συγκεντρώνοντας τους περισσότερους από τους πιο εξέχοντες επιστήμονες της εποχής. Το 1912, ο William Henry Bragg και ο William Lawrence Bragg πρότειναν το νόμο του Bragg και καθιέρωσαν το πεδίο της κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ, ένα σημαντικό εργαλείο για την κατανόηση της κρυσταλλικής δομής των ουσιών. Το 1912, ο Peter Debye αναπτύσσει την έννοια του μοριακού διπόλου για να περιγράψει τη ασύμμετρη κατανομή φορτίου σε ορισμένα μόρια.

Ο Niels Bohr

Ο Niels Bohr, που ανέπτυξε το μοντέλο του Bohr για το άτομο, και ένας κορυφαίος ιδρυτής της κβαντικής μηχανικής

Το 1913, ο Νιλς Μπορ, ένας δανός φυσικός, εισήγαγε τις έννοιες της κβαντικής μηχανικής στην ατομική δομή προτείνοντας αυτό που είναι τώρα γνωστό ως το ατομικό μοντέλο του Bohr, όπου τα ηλεκτρόνια υπάρχουν μόνο σε αυστηρά καθορισμένες κυκλικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα όπως τα σκαλοπάτια σε μια σκάλα. Το μοντέλο του Bohr είναι ένα πλανητικό μοντέλο στο οποίο, τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από ένα μικρό, θετικά φορτισμένο πυρήνα παρόμοια με τους πλανήτες που περιστρέφονται σε τροχιά γύρω από τον Ήλιο (εκτός από το ότι οι τροχιές δεν είναι επίπεδες) - η βαρυτική δύναμη του ηλιακού συστήματος είναι μαθηματικά ίδια με την ελκτική ηλεκτρική δύναμη Coulomb μεταξύ του θετικά φορτισμένου πυρήνα και των αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων.

Στο μοντέλο του Bohr όμως, τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε τροχιές που έχουν ένα συγκεκριμένο μέγεθος και ενέργεια - τα ενεργειακά επίπεδα λέγεται ότι είναι κβαντισμένα, πράγμα που σημαίνει ότι επιτρέπονται μόνο ορισμένες τροχιές με ορισμένες ακτίνες. Ενδιάμεσες τροχιές απλά δεν υπάρχουν. Η ενέργεια της τροχιάς σχετίζεται με το μέγεθός της - δηλαδή, η χαμηλότερη ενέργεια βρίσκεται στη μικρότερη τροχιά. Ο Bohr έθεσε επίσης ως αξίωμα, ότι όταν ένα ηλεκτρόνιο μετακινείται από μία τροχιά σε άλλη, απορροφάται ή εκπέμπεται ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Επειδή είναι μόνο ορισμένες οι επιτρεπόμενες τροχιές των ηλεκτρονίων η εκπομπή του φωτός που συνοδεύει το άλμα ενός ηλεκτρονίου από μια διεγερμένη ενεργειακή κατάσταση στην θεμελιώδη κατάσταση παράγει ένα μοναδικό φάσμα εκπομπής για κάθε στοιχείο.

Ο Neils Bohr εργάστηκε επίσης πάνω στην αρχή της συμπληρωματικότητας (διυσμός), η οποία αναφέρει ότι ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να ερμηνευθεί με δύο αμοιβαία αλληλοαναιρούμενους και έγκυρους τρόπους. Το ηλεκτρόνιο μπορεί να ερμηνευθεί ως κύμα ή ως σωματίδιο. Διατύπωσε την υπόθεση ήταν ότι ένα εισερχόμενο σωματίδιο θα χτυπήσει τον πυρήνα και να δημιουργήσει έναν διεγερμένο πυρήνα. Έθεσε τη βάση για το μοντέλο υγρής σταγόνας για τον πυρήνα και αργότερα έδωσε την βασική θεωρία για την εξήγηση της πυρηνικής σχάσης.

Το 1913, ο Henry Moseley, εργαζόμενος πάνω στην προηγούμενη ιδέα του Van den Broek, εισάγει την έννοια του ατομικού αριθμού για να διορθώσει τις ανεπάρκειες του περιοδικού πίνακα του Μεντελέγιεφ, η οποία είχε βασιστεί σε ατομικό βάρος. Το απόγειο της καριέρας του Frederick Soddy στην ραδιοχημεία ήταν το 1913 με την σύνθεση της έννοιας των ισοτόπων, η οποία ανέφερε ότι ορισμένα στοιχεία υπάρχουν σε δύο ή περισσότερες μορφές που έχουν διαφορετικό ατομικό βάρος, αλλά οι οποίες μορφές δεν μπορούν να διακριθούν χημικά. Τον θυμόμαστε για την απόδειξη της ύπαρξης των ισοτόπων ορισμένων ραδιενεργών στοιχείων, και επίσης πιστώνεται, μαζί με άλλους, με την ανακάλυψη του στοιχείου πρωτακτίνιο το 1917. Το 1913, ο J.J. Thomson, επεκτείνοντας στις εργασίες που έκανε ο Wien το 1887, έδειξε ότι τα φορτισμένα υποατομικά σωματίδια μπορούν να διαχωριστούν με βάση την μάζα προς φορτίο αναλογία τους, μια τεχνική γνωστή ως φασματομετρία μάζας.

Ο Gilbert Ν. Lewis

Ο ηλεκτρονιακός τύπος του νερού. Ο Gilbert Ν. Lewis, επινόησε τους ηλεκτρονιακούς τύπους Lewis, επίσης ανακάλυψε τον ομοιοπολικό δεσμό, και είναι δημιουργός της έννοιας ζεύγη ηλεκτρονίων.

Ο Αμερικανός φυσικός χημικός Gilbert Ν. Lewis έθεσε τα θεμέλια της θεωρίας του δεσμού σθένους. Έπαιξε σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη μιας θεωρίας για την ένωση των ατόμων με βάση τον αριθμό των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας ή της στιβάδας σθένους των ατόμων. Το 1902, ενώ ο Lewis προσπαθούσε να εξηγήσει το σθένος στους μαθητές του, απεικόνισε τα άτομα σαν κύβους με τα ηλεκτρόνια τοποθετημένα στις κορυφές. Αυτό το «κυβικό άτομο», εξηγούσε τις οκτώ ομάδες του περιοδικού πίνακα και αντιπροσωπεύει την ιδέα του Λιούις ότι οι χημικοί δεσμοί σχηματίζονται με μεταβίβαση ηλεκτρονίων από το ένα άτομο του δεσμού στο άλλο. Έτσι κάθε άτομο θα αποκτήσει ένα πλήρες σύνολο οκτώ εξωτερικών ηλεκτρονίων (κανόνας της "οκτάδας").

Η θεωρία των χημικών δεσμών του Lewis συνέχισε να εξελίσσεται και, το 1916,αυτός δημοσίευσε το πολυσυζητημένο άρθρο του «Το Άτομο του Μορίου», όπου πρότεινε ότι ο χημικός δεσμός είναι ένα ζεύγος ηλεκτρονίων που το διαμοιράζονται δύο άτομα. Το μοντέλο του Λιούις ταύτισε τον κλασικό χημικό δεσμό με τη συνιδιοκτησία ενός ζεύγους ηλεκτρονίων μεταξύ των δύο συνδεδεμένων ατόμων. Ο Lewis σε αυτό το άρθρο εισήγαγε τους ηλεκτρονιακούς τύπους Λιούις "electron dot diagrams" για να συμβολίσει τις ηλεκτρονιακές δομές των ατόμων και των μορίων. Τώρα είναι γνωστοί ως δομές Lewis, και συζητούνται σχεδόν σε κάθε εισαγωγικό βιβλίο χημείας.

Λίγο μετά τη δημοσίευση του άρθρου του το 1916, ο Lewis ασχολήθηκε με τη στρατιωτική έρευνα. Δεν επανήλθε στο θέμα των χημικών δεσμών μέχρι το 1923, όταν ο ίδιος εύστοχα συνόψισε το μοντέλο του σε μια σύντομη μονογραφία με τον τίτλο "Σθένος και η δομή των ατόμων και μορίων" ("Valence and the Structure of Atoms and Molecules"). Η ανανέωση του ενδιαφέροντός του για το Σθένος οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στις δραστηριότητες του αμερικανού χημικού και ερευνητή της General Electric, του Irving Langmuir, ο οποίος μεταξύ του 1919 και 1921 διέδωσε και ανέπτυξε περαιτέρω το μοντέλο του Λιούις. Στη συνέχεια ο Langmuir εισήγαγε τον όρο ομοιοπολικός δεσμός. Και το 1921, οι Otto Stern και Walther Gerlach καθιέρωσαν την κβαντομηχανική έννοια του σπιν στα υποατομικά σωματίδια, στα ηλεκτρόνια.

Το 1923 ο Lewis ανέπτυξε τη θεωρία ζεύγους ηλεκτρονίων των οξέων και βάσεων. Επαναπροσδιόρισε ένα οξύ, ως κάθε άτομο ή μόριο με μη συμπληρωμένη οκτάδα εξωτερικών ηλεκτρονίων που έτσι είναι ικανό να δέχεται ηλεκτρόνια από ένα άλλο άτομο. Βάσεις φυσικά είναι οι δότες ηλεκτρονίων. Η θεωρία του είναι γνωστή ως η "θεωρία οξέων βάσεων κατά Lewis". Το 1923, ο G.N. Lewis και ο Merle Randall δημοσίευσαν το "Θερμοδυναμική και η Ελεύθερη Ενέργεια των Χημικών Ουσιών", τη πρώτη σύγχρονη πραγματεία για τη χημική θερμοδυναμική.

Η δεκαετία του 1920 είδε την ταχεία υιοθέτηση και εφαρμογή του μοντέλου του δεσμού ζεύγους ηλεκτρονίων του Λιούις στους τομείς της οργανικής χημείας και της χημείας των συμπλόκων. Στην οργανική χημεία, οφειλόταν κυρίως στις προσπάθειες των βρετανών χημικών Arthur Lapworth, Robert Robinson, Thomas Lowry, και Christopher Ingold. Ενώ στη χημεία των συμπλόκων, το μοντέλο δεσμού του Lewis προωθήθηκε από τις προσπάθειες του αμερικανού χημικού Maurice Huggins και του Βρετανού χημικού Nevil Sidgwick.

Η κβαντομηχανική

Η Κβαντομηχανική το 1920

Από αριστερά: Louis de Broglie (1892–1987) και Wolfgang Pauli (1900–58); δεύτερη σειρά: Erwin Schrödinger (1887–1961) και Werner Heisenberg (1901–76)

Το 1924, ο γάλλος κβαντικός φυσικός Louis de Broglie δημοσίευσε τη διατριβή του, στην οποία εισήγαγε την επαναστατική θεωρία του ηλεκτρονίου-κύματος στηριγμένος στη δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου της διατριβής του. Στην εποχή του, η κυματική και η σωματιδιακή ερμηνεία του φωτός και της ύλης θεωρούνταν ότι βρίσκονται σε αντίθεση μεταξύ τους, αλλά ο de Broglie πρότεινε ότι αυτά τα φαινομενικά διαφορετικά χαρακτηριστικά είναι η ίδια συμπεριφορά που απλά την παρατηρούμε από διαφορετικές οπτικές γωνίες. Συνεπώς κατέληξε ότι τα σωματίδια μπορούν να συμπεριφέρονται σαν κύματα, και τα κύματα (ακτινοβολία) μπορούν να συμπεριφέρονται σαν σωματίδια. Η πρόταση του Broglie προσέφερε μια εξήγηση στο γιατί η κίνηση των ηλεκτρονίων είναι περιορισμένη μέσα στο χώρο του ατόμου. Οι πρώτες δημοσιεύσεις της ιδέας του Broglie για τα "κύματα ύλης" έτυχαν μικρής προσοχής από τους άλλους φυσικούς, αλλά όταν ένα αντίγραφο της διδακτορικής του διατριβής του έτυχε να φτάσει στον Αϊνστάιν, η απόκρισή του ήταν ενθουσιώδης. Ο Αϊνστάιν τόνισε τη σημασία του έργου του Broglie, τόσο ρητά όσο και περαιτέρω οικοδομώντας πάνω σ' αυτήν.

Το 1925, ο γεννημένος στην Αυστρία φυσικός Wolfgang Pauli ανέπτυξε την απαγορευτική αρχή του Pauli, η οποία αναφέρει ότι δεν υπάρχουν δύο ηλεκτρόνια γύρω από έναν πυρήνα σε ένα άτομο που μπορεί να καταλάβουν ταυτόχρονα την ίδια κβαντική κατάσταση, όπως αυτή περιγράφεται από τους τέσσερις κβαντικούς αριθμούς. Ο Pauli έκανε σημαντικές συνεισφορές στην κβαντική μηχανική και την κβαντική θεωρία πεδίου - του απονεμήθηκε το 1945 το βραβείο Νόμπελ Φυσικής για την ανακάλυψη της απαγορευτικής αρχής του Pauli - καθώς και στη φυσική στερεάς κατάστασης, και επίσης υπέθεσε επιτυχώς την ύπαρξη του νετρίνο. Εκτός από το πρωτότυπο έργο του, συνέγραψε αριστοτεχνικές συνθέσεις πολλών τομέων της φυσικής θεωρίας που θεωρούνται κλασικά της επιστημονικής βιβλιογραφίας.

Η γενική εξίσωση του Schrödinger (time-dependent)

$i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}\Psi ={\hat {H}}\Psi$

${\hat {H}}$ είναι ο Χαμιλτωνιανός τελεστής,

$\Psi$ είναι η κυμματοσυνάρτηση.,

Το 1926 στην ηλικία των 39 ετών, ο Αυστριακός θεωρητικός φυσικός Έρβιν Σρέντιγκερ παρήγαγε τα άρθρα που θεμελίωσαν την κβαντική κυματομηχανική. Σε αυτά τα άρθρα περιέγραψε την μερική διαφορική εξίσωσή του, μια εξίσωση για την ολική ενέργεια (Χαμιλτωνιανή) με μερικά διαφορικά. Αυτή είναι η βασική εξίσωση της κβαντομηχανικής και φέρει το ίδιο βάρος για τη μηχανική του ατόμου όσο οι εξισώσεις του Νεύτωνα για το πλανητικό αστρονομία. Υιοθετώντας την πρόταση του Louis de Broglie από το 1924 ότι τα σωματίδια της ύλης έχουν διττό χαρακτήρα και σε ορισμένες περιπτώσεις συμπεριφέρονται σαν κύματα, ο Σρέντιγκερ εισήγαγε μια θεωρία που περιγράφει τη συμπεριφορά ενός τέτοιου συστήματος με μια κυματική εξίσωση που είναι γνωστή σήμερα ως την εξίσωση του Σρέντιγκερ. Οι λύσεις για την εξίσωση του Σρέντιγκερ, σε αντίθεση με τις λύσεις στις εξισώσεις του Νεύτωνα, είναι κυματοσυναρτήσεις που μπορεί να σχετίζονται μόνο με την πιθανή εμφάνιση των φυσικών γεγονότων. Η άμεσα ορατή αλληλουχία των γεγονότων των πλανητικών τροχιών του Νεύτωνα, στην κβαντική μηχανική αντικαθίσταται από την πιο αφηρημένη έννοια της πιθανότητας. (Αυτή η πτυχή της κβαντικής θεωρίας έκανε τον Schrödinger όπως και πολλούς άλλους φυσικούς να νοιώθουν μη ευτυχείς, και αφιέρωσε ένα μεγάλο μέρος της μετέπειτα ζωής του στη διαμόρφωση φιλοσοφικών ενστάσεων εναντίον της γενικώς αποδεκτής ερμηνείας της θεωρίας του που είχε κάνει τόσα πολλά για να δημιουργήσει.)

Ο Γερμανός θεωρητικός φυσικός Βέρνερ Χάιζενμπεργκ ήταν ένας από τους βασικούς δημιουργούς της κβαντικής μηχανικής. Το 1925, ο Heisenberg ανακάλυψε έναν τρόπο να μορφοποιήσει την κβαντομηχανική πάνω στη θεωρία πινάκων των μαθηματικών. Για την ανακάλυψη του αυτή, του απονεμήθηκε το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής για το 1932. Το 1927 δημοσίευσε την αρχή της αβεβαιότητας, πάνω στην οποία έχτισε τη φιλοσοφία του και για την οποία είναι κυρίως γνωστός. Ο Heisenberg μπόρεσε να αποδείξει ότι αν μελετούσες ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο θα μπορούσες να πεις είτε πού ήταν (θέση του ηλεκτρονίου), είτε που πήγαινε (ταχύτητα του ηλεκτρονίου), αλλά είναι αδύνατο να εκφράσεις και τα δύο για την ίδια στιγμή. Έκανε επίσης σημαντικές συνεισφορές στις θεωρίες της υδροδυναμικής για την τυρβώδη ροή, τον ατομικό πυρήνα, το σιδηρομαγνητισμό, τις κοσμικές ακτίνες και τα υποατομικά σωματίδια, και έπαιξε σημαντικό ρόλο στο σχεδιασμό του πρώτου πυρηνικού αντιδραστήρα της Δυτικής Γερμανίας στην Καρλσρούη, μαζί με ένα ερευνητικό αντιδραστήρα στο Μόναχο, το 1957. Σημαντική διαμάχη περιβάλλει το έργο του για την έρευνα της ατομικής ενέργειας κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου.

Κβαντική χημεία

Κάποιοι θεωρούν ότι η γέννηση της κβαντικής χημείας είναι η ανακάλυψη της εξίσωσης του Schrödinger και η εφαρμογή της στο άτομο του υδρογόνου το 1926. Εντούτοις, το άρθρο του Walter Heitler και του Fritz London το 1927, συχνά αναγνωρίζεται ως το πρώτο ορόσημο στην ιστορία της κβαντικής χημείας. Αυτή είναι η πρώτη εφαρμογή της κβαντικής μηχανικής στο διατομικό μόριο υδρογόνου, και συνεπώς και στο φαινόμενο του χημικού δεσμού. Στα επόμενα χρόνια μεγάλη πρόοδος επιτεύχθηκε από τους Edward Teller, Robert S. Mulliken, Max Born, J. Robert Oppenheimer, Linus Pauling, Erich Hückel, Douglas Hartree, Vladimir Aleksandrovich Fock, για να αναφέρουμε μερικούς. Ακόμα, παραμένει ο σκεπτικισμός ως προς τη γενική ισχύ της κβαντικής μηχανικής για πολύπλοκα χημικά συστήματα. Η κατάσταση γύρω στο 1930 περιγράφεται από τον Paul Dirac:.

Οι βασικοί φυσικοί νόμοι που απαιτούνται για τη μαθηματική θεωρία ενός μεγάλου μέρους της φυσικής και ολόκληρης της χημείας είναι πλήρως γνωστοί, και η δυσκολία είναι μόνο ότι η πιστή εφαρμογή των νόμων αυτών οδηγεί σε εξισώσεις πάρα πολύ περίπλοκες για να επιλυθούν. Συνεπώς κρίνεται σκόπιμο να αναπτυχθούν πρακτικές προσεγγιστικές μέθοδοι για να εφαρμοστεί η κβαντική μηχανική, οι οποίες θα οδηγήσουν στην εξήγηση των κύριων χαρακτηριστικών των πολύπλοκων ατομικών συστημάτων χωρίς μεγάλους υπολογισμούς.

Ως εκ τούτου, οι κβαντομηχανικές μέθοδοι που αναπτύχθηκαν στη δεκαετία του 1930 και του 1940 αναφέρονται συχνά ως θεωρητική μοριακή ή ατομική φυσική για να υπογραμμιστεί το γεγονός ότι ήταν κυρίως η εφαρμογή της κβαντομηχανικής στη χημεία και φασματοσκοπία και όχι απαντήσεις σε ερωτήσεις χημικού ενδιαφέροντος. Το 1951, ένα άρθρο ορόσημο στην κβαντική χημεία είναι η πρωτοποριακή εργασία του Clemens C.J. Roothaan για εξισώσεις Roothaan στη θεωρία Hartree Fock. [91] Έτσι άνοιξε η λεωφόρος για την επίλυση των εξισώσεων αυτο-συνεπούς πεδίου για μικρά μόρια όπως το υδρογόνο ή άζωτο. Αυτοί οι υπολογισμοί έγιναν με τη βοήθεια αρχείων με ολοκληρώματα που υπολογίστηκαν για τους πιο προηγμένους υπολογιστές της εποχής.

Στη δεκαετία του 1940 πολλοί φυσικοί το γύρισαν από τη μοριακή ή ατομική φυσική στην πυρηνική φυσική (όπως ο J. Robert Oppenheimer ή ο Edward Teller). Ο Glenn T. Seaborg ήταν ένας αμερικανός πυρηνικός χημικός γνωστός για τη δουλειά του στην απομόνωση και ταυτοποίηση υπερουράνιων στοιχείων (αυτά που είναι βαρύτερα από το ουράνιο). Μοιράστηκε το 1951 το βραβείο Νόμπελ Χημείας με τον Edwin McMillan Mattison για τις ανεξάρτητες μεταξύ τους ανακαλύψεις τους στα υπερουράνια στοιχεία. Το στοιχείο Seaborgium ονομάστηκε προς τιμήν του, κάνοντας τον το μόνο πρόσωπο, μαζί με τον Albert Einstein, για τους οποίους ένα χημικό στοιχείο ονομάστηκε με το όνομά τους κατά τη διάρκεια της ζωής του

Μοριακή βιολογία και βιοχημεία

Μέχρι τα μέσα του 20ου αιώνα, η αξιωματική ολοκλήρωση της φυσικής και της χημείας ήταν εκτεταμένη. Οι χημικές ιδιότητες αιτιολογήθηκαν σαν αποτέλεσμα της ηλεκτρονικής δομής του ατόμου. Το βιβλίο του Linus Pauling "Σχετικά με τη φύση του χημικού δεσμού" χρησιμοποίησε τις αρχές της κβαντικής μηχανικής για βρει τις γωνίες των δεσμών σε ολοένα και πιο πολύπλοκα μόρια. Ωστόσο, αν και ορισμένες αρχές που εξάγονται από την κβαντική μηχανική ήταν σε θέση να προβλέψουν ποιοτικά κάποια χημικά χαρακτηριστικά για βιολογικά μόρια, μέχρι το τέλος του 20ου αιώνα, ήταν περισσότερο μια συλλογή κανόνων, παρατηρήσεων και συνταγών παρά αυστηρές ab initio ποσοτικές μέθοδοι.

Διαγραματική αναπαράσταση του DNA

Αυτή η ευριστική προσέγγιση θριάμβευσε το 1953, όταν οι James Watson και Francis Crick συνάγουν τη διπλή ελικοειδή δομή του DNA. Κατασκεύασαν το μοντέλο τους περιοριζόμενοι μεν αλλά και ταυτόχρονα αντλώντας πληροφορίες από την γνώση της χημείας των συστατικών μερών και τα μοτίβα της περίθλασης των ακτίνων-Χ που ελήφθησαν από τον Rosalind Franklin. [92 ] Αυτή η ανακάλυψη οδήγησε σε έκρηξη της έρευνας στην βιοχημεία της ζωής.

Κατά το ίδιο έτος, το πείραμα Miller-Urey απέδειξε ότι τα βασικά συστατικά των πρωτεϊνών, τα απλά αμινοξέα, θα μπορούσαν να σχηματιστούν από απλούστερα μόρια σε μια προσομοίωση των αρχέγονων διαδικασιών στη Γη. Αν και παραμένουν πολλά ερωτήματα σχετικά με την πραγματική φύση της προέλευσης της ζωής, αυτή ήταν η πρώτη απόπειρα από τους χημικούς να μελετήσουν υποθετικές διεργασίες στο εργαστήριο κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες.

Το 1983 ο Kary Mullis επινόησε μια μέθοδο για τον in-vitro πολλαπλασιασμό του DNA, που είναι γνωστή ως η αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR), η οποία έφερε επανάσταση στις χημικές διεργασίες που χρησιμοποιούνται στο εργαστήριο για να το χειριστούν. Η PCR μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να συνθέσει συγκεκριμένα τμήματα του DNA και κατέστη δυνατή η εύρεση της αλληλουχίας του DNA των οργανισμών, η οποία κορυφώθηκε με το τεράστιο έργο του ανθρώπινου γονιδιώματος.

Ένα σημαντικό κομμάτι στο παζλ της διπλής έλικας λύθηκε από έναν από τους μαθητές του Pauling τον Μάθιου Meselson και τον Frank Stahl. Το αποτέλεσμα της συνεργασίας τους ήταν το πείραμα Meselson-Stahl που έχει χαρακτηριστεί ως «το πιο όμορφο πείραμα στη βιολογία". Χρησιμοποίησαν μια τεχνική φυγοκέντρησης όπου τα μόρια ταξινομούνται σύμφωνα με τις διαφορές τους στο βάρος. Τα άτομα αζώτου που είναι ένα συστατικό του DNA, σημάνθηκαν χρησιμοποιώντας Ν14 και Ν15 και έτσι παρακολούθησαν τον αναδιπλασιασμό του DNA στα βακτήρια.

Τα τέλη του 20ου αιώνα

Buckminsterfullerene, C₆₀

Το 1970, ο John Pople ανέπτυξε το πρόγραμμα Gaussian που διευκολύνει πολύ τους υπολογισμούς στην υπολογιστική χημεία. Το 1971, Yves Chauvin προσφέρει μια εξήγηση του μηχανισμού της αντίδρασης των αντιδράσεων μετάθεσης στις ολεφίνες. Το 1975, ο Karl Barry Sharpless και η ομάδα του ανακάλυψαν τις στερεοεπιλεκτικές αντιδράσεις οξείδωσης, συμπεριλαμβανομένης της εποξείδωσης Sharpless, της ασύμμετρης διυδροξυλίωσης. Το 1985, ο Harold Kroto, ο Robert Curl και ο Richard Smalley ανακάλυψαν τα φουλερένια, μια κατηγορία μεγαλομορίων από άνθρακα που μοιάζει με το γεωδαιτικό θόλο που σχεδιάστηκε από τον αρχιτέκτονα R. Buckminster Fuller. Το 1991, ο Sumio Iijima χρησιμοποίησε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο για να ανακαλύψει ένα είδος κυλινδρικού φουλερενίου γνωστό ως νανοσωλήνες άνθρακα, αν και προηγούμενη εργασία είχε γίνει ήδη στον τομέα από το 1951. Το υλικό αυτό είναι ένα σημαντικό στοιχείο στον τομέα της νανοτεχνολογίας. Το 1994, ο Robert Α. Holton και η ομάδα του πέτυχε την πρώτη ολική σύνθεση της ταξόλης. Το 1995, ο Eric Cornell και ο Carl Wieman παρήγαγαν το πρώτο συμπύκνωμα Bose-Einstein, μια ουσία που εμφανίζει κβαντομηχανικές ιδιότητες στη μακροσκοπική κλίμακα

Μαθηματικά και Χημεία.

Κλασικά, πριν από τον 20ο αιώνα, η χημεία ορίζεται ως η επιστήμη της φύσης της ύλης και των μετασχηματισμών της. Επομένως, ήταν σαφώς διακριτή από τη φυσική που δεν ασχολούνταν με τέτοια δραματική μεταμόρφωση της ύλης. Επιπλέον, σε αντίθεση με τη φυσική, η χημεία δεν χρησιμοποιεί πολλά μαθηματικά. Ακόμη μερικοί ήταν ιδιαίτερα απρόθυμοι να χρησιμοποιήσουν τα μαθηματικά στη χημεία. Για παράδειγμα, ο Auguste Comte έγραψε το 1830:

Κάθε προσπάθεια να χρησιμοποιηθούν μαθηματικές μέθοδοι για τη μελέτη των χημικών ερωτήματα πρέπει να θεωρηθεί βαθέως παράλογη και αντίθετη με το πνεύμα της χημείας.... αν η μαθηματική ανάλυση θα μπορούσε κάποτε να κατέχει μια περίοπτη θέση στη χημεία - ένας παραλογισμός που ευτυχώς είναι σχεδόν αδύνατος - θα προκαλέσει ταχεία και εκτεταμένη εκφύλιση της εν λόγω επιστήμης.

Ωστόσο, στο δεύτερο μέρος του 19ου αιώνα, η κατάσταση άλλαξε και ο Αύγουστος Κέκουλε έγραψε το 1867.

Μάλλον περιμένω ότι κάποια μέρα θα βρούμε μια μαθηματικο-μηχανική εξήγηση για αυτό που τώρα λέμε άτομα που θα δώσει έναν απολογισμό των ιδιοτήτων τους.

Το περιεχόμενο της Χημείας.

Τελικά η Χημεία ασχολείται με εκείνες τις πτυχές της φύσης της ύλης που σχετίζονται με το σύννεφο των ηλεκτρονίων γύρω από τον ατομικό πυρήνα που εδώ πάλλεται στην s-μορφή (s-τροχιακά)

• 
  Mode $u_{01}$ (1s orbital)
• 
  Mode $u_{02}$ (2s orbital)
• 
  Mode $u_{03}$ (3s orbital)

Μετά την ανακάλυψη από τον Rutherford και τον Bohr της ατομικής δομής το 1912, και από τη Marie και Pierre Curie της ραδιενέργειας, οι επιστήμονες έπρεπε να αλλάξουν την άποψή τους σχετικά με τη φύση της ύλης. Η εμπειρία που αποκτήθηκε από τους χημικούς δεν ήταν πλέον σχετική με τη μελέτη του συνόλου της φύσης της ύλης, αλλά μόνο στις πτυχές που σχετίζονται με το σύννεφο των ηλεκτρονίων γύρω από τον ατομικό πυρήνα και την κίνηση του μέσα στο ηλεκτρικό πεδίο των πυρήνων (βλ. προσέγγιση Born-Oppenheimer). Το εύρος της χημείας ως εκ τούτου περιορίζεται στη φύση της ύλης γύρω μας σε συνθήκες που δεν είναι πολύ μακριά (ή εξαιρετικά μακριά) από τις κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης και σε περιπτώσεις όπου η έκθεση σε ακτινοβολία δεν είναι πολύ διαφορετική από τα φυσικά μικροκυμάτων, ή την ορατή και υπεριώδη ακτινοβολία στη Γη. Χημεία, συνεπώς, ορίζεται εκ νέου ως η επιστήμη της ύλης που ασχολείται με τη σύνθεση, τη δομή και τις ιδιότητες των ουσιών και με τους μετασχηματισμούς που υφίστανται.

Ωστόσο, η έννοια της ύλης που χρησιμοποιείται εδώ αναφέρεται ρητά σε ουσίες που αποτελούνται από άτομα και μόρια, παραβλέποντας το τι συμβαίνει μέσα στους ατομικούς πυρήνες και στις πυρηνικές αντιδράσεις ή στην ύλη σε υψηλώς ιονισμένο πλάσμα. Αυτό δεν σημαίνει ότι η χημεία στις μέρες μας δεν εμπλέκεται ποτέ με το πλάσμα ή τις πυρηνικές επιστήμες ή ακόμα και με τα μποζονιακά πεδία δεδομένου ότι τομείς όπως η Κβαντική Χημεία και Πυρηνική Χημεία είναι σήμερα καλά ανεπτυγμένοι και αναγνωρίζονται ως επίσημα υπο-πεδία μελέτης κάτω από τις Χημικές επιστήμες (Χημεία). Αλλά αυτό που τώρα αναγνωρίζεται επίσημα ως αντικείμενο μελέτης υπό την κατηγορία χημεία ως επιστήμη βασίζεται πάντα στη χρήση των εννοιών που περιγράφουν ή εξηγούν τα φαινόμενα που είτε προέρχονται από την ύλη είτε κατευθύνονται προς την ύλη σε ατομική ή μοριακή κλίμακα, συμπεριλαμβανομένης της μελέτης της συμπεριφοράς των πολλών μορίων ως σύνολο ή τη μελέτη των επιπτώσεων ενός μόνο πρωτονίου όπως το υδρογονοκατιόν σε ένα μόνο άτομο. Αλλά εξαιρούνται τα φαινόμενα που ασχολούνται με διαφορετικά (πιο «εξωτικά») τα είδη της ύλης (π.χ. συμπύκνωμα Bose-Einstein, Higgs Boson, η σκοτεινή ύλη, γυμνή ιδιομορφία, κ.λπ.) και επίσης εξαιρούνται οι επιστήμες που αναφέρονται στους εγγενείς αφηρημένους νόμους της φύσης στους οποίους οι έννοιες μπορούν να διαμορφωθούν πλήρως χωρίς την ακριβή τυπική μοριακή ή ατομική όψη όπως π.χ. η Κβαντική Χρωμοδυναμική, η Κβαντική Ηλεκτροδυναμική, η Θεωρία Χορδών, τμήματα της Κοσμολογίας (βλ. κοσμοχημεία), ορισμένες περιοχές της Πυρηνικής Φυσικής (βλέπε Πυρηνικής Χημεία), κ.λ.π.. Παρ' όλα αυτά το πεδίο της χημείας εξακολουθεί να είναι, σε ανθρώπινη κλίμακα μας, πολύ ευρύ και ο ισχυρισμός ότι "η χημεία είναι παντού" είναι ακριβής.

Χημική βιομηχανία.

Το τελευταίο μέρος του δέκατου ένατου αιώνα είδε μια τεράστια αύξηση στην εκμετάλλευση του πετρελαίου που εξάγεται από τη γη για την παραγωγή μιας σειράς από χημικές ουσίες. Έτσι αντικαταστάθηκε σε μεγάλο βαθμό η χρήση του λίπους της φάλαινας, της λιθανθρακόπισσας και των φυσικών ρητινών που χρησιμοποιήθηκαν προηγουμένως. Η παραγωγή μεγάλης κλίμακας και η διύλυση του πετρελαίου προσφέρουν τις πρώτες ύλες για υγρά καύσιμα όπως η βενζίνη και το πετρέλαιο ντίζελ, διαλύτες, λιπαντικά, άσφαλτος, κηροί, και για την παραγωγή πολλών από τα κοινά υλικά του σύγχρονου κόσμου, όπως συνθετικές ίνες, πλαστικά, χρώματα, απορρυπαντικά, φαρμακευτικά προϊόντα, κόλλες και αμμωνία ως λίπασμα και για άλλες χρήσεις. Πολλά από αυτά απαιτούν νέους καταλύτες και την αξιοποίηση της χημικής μηχανικής για την οικονομικά αποδοτική παραγωγή τους.

Στα μέσα του εικοστού αιώνα, ο έλεγχος της ηλεκτρονικής δομής των ημιαγωγών υλικών έγινε ακριβής με τη δημιουργία μεγάλων ράβδων εξαιρετικά καθαρών και μονών κρυστάλλων πυριτίου και γερμανίου. Ακριβή έλεγχο της χημικής σύνθεσής τους και ακριβές ντόπινγκ με άλλα στοιχεία επέτρεψε την παραγωγή των τρανζίστορ στερεάς κατάστασης το 1951 και έκανε δυνατή την παραγωγή των μικροσκοπικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για χρήση σε ηλεκτρονικές συσκευές, και ιδιαίτερα στους υπολογιστές.