تاريخ الكيمياء

يبدو أن أقدم معدن مسجل استخدمه الإنسان هو الذهب ، والذي يمكن العثور عليه حراً أو "طبيعياً". وقد عُثر على كميات صغيرة من الذهب الطبيعي في كهوف إسبانية استُخدمت خلال أواخر العصر الحجري القديم ، حوالي 40000 قبل الميلاد. ^{[ 5 ]} أما أقدم علم تعدين الذهب المعروف فيعود إلى حضارة فارنا في بلغاريا، ويعود تاريخه إلى حوالي 4600 قبل الميلاد. ^{[ 6 ]}

يمكن العثور على الفضة والنحاس والقصدير والحديد النيزكي في الطبيعة، مما أتاح إمكانية استخدام المعادن على نطاق محدود في الحضارات القديمة. ^{[ 7 ]} كانت الأسلحة المصرية المصنوعة من الحديد النيزكي حوالي عام 3000 قبل الميلاد تحظى بتقدير كبير باعتبارها "خناجر من السماء" . ^{[ 8 ]}

خلال المراحل المبكرة لعلم المعادن، تم البحث عن طرق لتنقية المعادن، وأصبح الذهب، المعروف في مصر القديمة منذ عام 2900  قبل الميلاد، معدنًا ثمينًا.

أدت المحاولات الفلسفية لتفسير اختلاف خصائص المواد، كالألوان والكثافة والروائح، ووجودها في حالات مختلفة كالصلبة والسائلة والغازية، وتفاعلها المتباين مع البيئات المختلفة، كالتغيرات الحرارية في النار أو الماء، إلى وضع الفلاسفة القدماء أولى النظريات في الطبيعة والكيمياء. ويمكن تتبع تاريخ هذه النظريات الفلسفية المتعلقة بالكيمياء إلى جميع الحضارات القديمة. وكان القاسم المشترك بينها جميعًا هو محاولة تحديد عدد قليل من العناصر الكلاسيكية الأساسية التي تُكوّن جميع المواد في الطبيعة. فقد شاعت في الحضارات القديمة مواد كالهواء والماء والتربة، وأشكال الطاقة كالنار والضوء، ومفاهيم أكثر تجريدًا كالأفكار والأثير والسماء ، حتى في غياب أي تداخل فكري بينها؛ فعلى سبيل المثال ، اعتبرت الفلسفات اليونانية والهندية والماياوية والصينية القديمة الهواء والماء والأرض والنار عناصر أساسية.

تُعرَّف الخيمياء بالسعي الهرمسي وراء حجر الفلاسفة ، ودراستها متجذرة في التصوف الرمزي، وتختلف اختلافًا كبيرًا عن العلوم الحديثة. سعى الخيميائيون جاهدين لإجراء تحولات على مستوى باطني (روحي) و/أو ظاهري (عملي). ^{[ 30 ]} وقد ساهمت الجوانب الظاهرية شبه العلمية للخيمياء بشكل كبير في تطور الكيمياء في مصر اليونانية الرومانية ، وفي العصر الذهبي الإسلامي ، ثم في أوروبا. تشترك الخيمياء والكيمياء في الاهتمام بتركيب المادة وخصائصها، ولم تكونا تخصصين منفصلين حتى القرن الثامن عشر. وقد استُخدم مصطلح "الكيمياء" لوصف مزيج الخيمياء والكيمياء الذي كان موجودًا قبل ذلك الوقت. ^{[ 31 ]}

خلال عصر النهضة، ظلّت الخيمياء الظاهرية رائجةً في شكلها الطبيّ الباراسيلسيّ ، بينما ازدهرت الخيمياء الروحية، مُعيدَةً توجيهها نحو جذورها الأفلاطونية والهرمسية والغنوصية . ونتيجةً لذلك، لم تتجاوز التطورات العلمية السعي الرمزيّ وراء حجر الفلاسفة، وظلّ هذا البحث حكرًا على العلماء والأطباء المرموقين حتى أوائل القرن الثامن عشر. ومن بين الخيميائيين الأوائل في العصر الحديث الذين اشتهروا بإسهاماتهم العلمية: يان بابتيست فان هيلمونت ، وروبرت بويل ، وإسحاق نيوتن .

في العالم الإسلامي ، كان المسلمون يترجمون مؤلفات الفلاسفة اليونانيين القدماء والهيلينيين إلى اللغة العربية، ويجرّبون الأفكار العلمية. ^{[ 32 ]} وقد أدخلت المؤلفات العربية المنسوبة إلى الكيميائي جابر بن حيان، الذي عاش في القرن الثامن الميلادي، تصنيفًا منهجيًا للمواد الكيميائية، وقدمت تعليمات لاستخلاص مركب غير عضوي ( مثل كلوريد الأمونيوم ) من مواد عضوية (كالنباتات والدم والشعر) بالوسائل الكيميائية. [ ^{33 ] وقد} تُرجمت بعض مؤلفات جابر العربية (مثل "كتاب الرحمة" و"كتاب السبعين") لاحقًا إلى اللاتينية تحت الاسم اللاتيني "جيبر"، ^{[ 34 ]} وفي أوروبا في القرن الثالث عشر، بدأ كاتب مجهول، يُشار إليه عادةً باسم "جابر الزائف" ، في إنتاج كتابات كيميائية ومعدنية تحت هذا الاسم. ^{[ 35 ]} قام علماء مؤثرون، مثل أبو الريحان البيروني ^{[ 36 ]} وابن سينا ^{​​[ 37 ]،} بمعارضة نظريات الخيمياء، وخاصة نظرية تحويل المعادن .

خلال فترة الكيمياء الإسلامية، حددت الأعمال المنسوبة إلى جابر بشكل صحيح الكبريت والزئبق كعناصر.

كانت هناك عدة مشاكل في علم الخيمياء، كما يُنظر إليه من منظورنا الحالي. لم يكن هناك نظام تسمية منهجي للمركبات الجديدة، وكانت اللغة غامضة ومبهمة لدرجة أن المصطلحات كانت تحمل معاني مختلفة لدى مختلف الناس. في الواقع، وفقًا لكتاب " تاريخ فونتانا للكيمياء" (بروك، 1992):

سرعان ما تطورت لغة الخيمياء إلى مفردات تقنية غامضة وسرية مصممة لإخفاء المعلومات عن غير المطلعين. وإلى حد كبير، هذه اللغة غير مفهومة لنا اليوم، على الرغم من أنه من الواضح أن قراء قصة "حكاية خادم الكاهن" لجيفري تشوسر أو مشاهدي مسرحية " الخيميائي " لبن جونسون كانوا قادرين على فهمها بشكل كافٍ للسخرية منها. ^{[ 38 ]}

كشفت حكاية تشوسر الجانب الأكثر احتيالًا في الخيمياء، ولا سيما صناعة الذهب المزيف من مواد رخيصة. وقبل ذلك بأقل من قرن، أبدى دانتي أليغييري أيضًا وعيًا بهذا الاحتيال، مما دفعه إلى إلقاء جميع الخيميائيين في الجحيم في كتاباته. وبعد ذلك بوقت قصير، في عام 1317، أمر البابا يوحنا الثاني والعشرون في أفينيون جميع الخيميائيين بمغادرة فرنسا بتهمة تزييف العملة. وفي عام 1403، صدر قانون في إنجلترا يُعاقب على "تكثير المعادن" بالإعدام. وعلى الرغم من هذه الإجراءات وغيرها من الإجراءات التي تبدو متطرفة، لم تمت الخيمياء. فقد استمرت العائلات المالكة والطبقات المتميزة في السعي لاكتشاف حجر الفلاسفة وإكسير الحياة لأنفسهم. ^{[ 39 ]}

لم تكن هناك أيضًا طريقة علمية متفق عليها لجعل التجارب قابلة للتكرار. في الواقع، أدرج العديد من الخيميائيين في أساليبهم معلومات غير ذات صلة، مثل توقيت المد والجزر أو أطوار القمر. بدا أن الطبيعة الباطنية والمصطلحات المُقننة للخيمياء أكثر فائدة في إخفاء حقيقة عدم قدرتهم على التأكد من أي شيء تقريبًا. منذ القرن الرابع عشر، بدأت تظهر تصدعات في واجهة الخيمياء، وأصبح الناس متشككين. من الواضح أنه كانت هناك حاجة إلى طريقة علمية يمكن من خلالها تكرار التجارب من قبل الآخرين، ويجب الإبلاغ عن النتائج بلغة واضحة تُبين ما هو معروف وما هو مجهول.

يُعتبر الكيميائي الأنجلو-إيرلندي روبرت بويل (1627-1691) رائدًا في الفصل التدريجي بين الكيمياء والخيمياء. ^{[ 46 ]} ورغم تشكيكه في العناصر واقتناعه بالخيمياء، فقد لعب بويل دورًا محوريًا في الارتقاء بهذا "الفن المقدس" ليصبح علمًا مستقلًا وأساسيًا وفلسفيًا. ويُعرف بويل بقانون بويل الذي قدمه عام 1662، مع أنه لم يكن أول من اكتشفه. ^{[ 47 ]} يصف هذا القانون العلاقة العكسية بين الضغط المطلق وحجم الغاز ^، إذا ما ثبتت درجة الحرارة داخل نظام مغلق . ^{[ 48 ]} [ ^{49 ]}

يُنسب إلى بويل أيضًا تأليف كتابه الرائد "الكيميائي المتشكك " (1661)، الذي دعا فيه إلى اتباع نهج دقيق في التجارب بين الكيميائيين. في هذا العمل، شكك بويل في بعض النظريات الكيميائية القديمة الشائعة، ودعا الممارسين إلى أن يكونوا أكثر "فلسفية" وأقل تركيزًا على الجانب التجاري. ^{[ 50 ]} رفض بويل العناصر الأربعة الكلاسيكية: التراب، والنار، والهواء، والماء، واقترح بديلًا آليًا قائمًا على الذرات والتفاعلات الكيميائية التي يمكن إخضاعها لتجارب دقيقة.

سعى بويل أيضًا إلى تنقية المواد الكيميائية للحصول على تفاعلات قابلة للتكرار. وكان من أشدّ المؤيدين للفلسفة الميكانيكية التي طرحها رينيه ديكارت لشرح وتحديد الخصائص الفيزيائية وتفاعلات المواد. كان بويل من أنصار نظرية الذرة، لكنه فضّل مصطلح " الجسيم" على "الذرات" . وعلّق قائلاً إن أدقّ تقسيم للمادة، حيث تُحفظ الخصائص، هو على مستوى الجسيمات.

أعاد بويل تجربة الشجرة التي أجراها فان هيلمونت، وكان أول من استخدم مؤشرات يتغير لونها بتغير الحموضة. كما أجرى العديد من التجارب باستخدام مضخة هواء ، ولاحظ انخفاض مستوى الزئبق عند سحب الهواء. ولاحظ أيضًا أن سحب الهواء من وعاء ما يُطفئ اللهب ويقتل الحيوانات الصغيرة الموضوعة بداخله. من خلال أعماله، ساهم بويل في وضع أسس الثورة الكيميائية بعد قرنين من الزمان. ^{[ 51 ]}

شارك كارل ويلهلم شيل في اكتشاف الأكسجين وأطلق عليه اسم "هواء النار".

جوزيف بريستلي ، المكتشف المشارك لعنصر الأكسجين، الذي أطلق عليه اسم "الهواء منزوع الفلوجستون".

في عام ١٧٠٢، صاغ الكيميائي الألماني جورج شتال اسم " الفلوجستون " للمادة التي يُعتقد أنها تنطلق أثناء عملية الاحتراق. وفي حوالي عام ١٧٣٥، حلل الكيميائي السويدي جورج براندت صبغة زرقاء داكنة وُجدت في خام النحاس. وأثبت براندت أن هذه الصبغة تحتوي على عنصر جديد، سُمي لاحقًا الكوبالت . وفي عام ١٧٥١، حدد الكيميائي السويدي أكسل فريدريك كرونستيدت ، وهو أحد تلاميذ شتال، شوائب في خام النحاس على أنها عنصر فلزي منفصل، أطلق عليه اسم النيكل . ويُعد كرونستيدت أحد مؤسسي علم المعادن الحديث . ^{[ ٥٢ ]} كما اكتشف كرونستيدت معدن الشيليت في عام ١٧٥١، والذي أطلق عليه اسم التنجستن، والذي يعني "الحجر الثقيل" باللغة السويدية.

في عام 1754، عزل الكيميائي الاسكتلندي جوزيف بلاك ثاني أكسيد الكربون ، وأطلق عليه اسم "الهواء الثابت". ^{[ 53 ]} وفي عام 1757، أثناء بحثه عن مركبات الزرنيخ، ابتكر لويس كلود كاديت دي غاسيكور سائل كاديت المدخن ، والذي اكتُشف لاحقًا أنه أكسيد الكاكوديل ، ويُعتبر أول مركب عضوي فلزي اصطناعي . ^{[ 54 ]} وفي عام 1758، صاغ جوزيف بلاك مفهوم الحرارة الكامنة لشرح الكيمياء الحرارية لتغيرات الحالة . ^{[ 55 ]} وفي عام 1766، عزل الكيميائي الإنجليزي هنري كافنديش الهيدروجين ، وأطلق عليه اسم "الهواء القابل للاشتعال". اكتشف كافنديش الهيدروجين كغاز عديم اللون والرائحة يحترق ويمكن أن يشكل خليطًا متفجرًا مع الهواء، ونشر ورقة بحثية حول إنتاج الماء عن طريق حرق الهواء القابل للاشتعال (أي الهيدروجين) في الهواء منزوع الفلوجستون (المعروف الآن بأنه الأكسجين)، وهو أحد مكونات الهواء الجوي ( نظرية الفلوجستون ).

في عام ١٧٧٣، اكتشف الكيميائي السويدي الألماني ^كارل فيلهلم شيل ^{الأكسجين} ، وأطلق عليه اسم "هواء النار"، لكنه لم ينشر اكتشافه فورًا. ^{[ ٥٧ ] وفي} عام ١٧٧٤، عزل الكيميائي الإنجليزي جوزيف بريستلي الأكسجين بشكل مستقل في حالته الغازية، وأطلق عليه اسم "الهواء منزوع الفلوجستون"، ونشر عمله قبل شيل. ^{[ ٥٨ ] [ ٥٩ ]} خلال حياته، استندت شهرة بريستلي العلمية الكبيرة إلى اختراعه للمياه الغازية ، وكتاباته عن الكهرباء ، واكتشافه لعدة "غازات"، أشهرها ما أطلق عليه بريستلي اسم "الهواء منزوع الفلوجستون" (الأكسجين). مع ذلك، فإن إصرار بريستلي على الدفاع عن نظرية الفلوجستون ورفض ما سيصبح لاحقًا الثورة الكيميائية، جعله في نهاية المطاف معزولًا داخل المجتمع العلمي.

في عام ١٧٨١، اكتشف كارل فيلهلم شيل إمكانية تحضير حمض جديد ، هو حمض التنجستيك ، من معدن الشيليت الذي اكتشفه كرونستيدت (والذي كان يُعرف آنذاك باسم التنجستن). اقترح شيل وتوربيرن بيرغمان إمكانية الحصول على معدن جديد عن طريق اختزال هذا الحمض. ^{[ ٦٠ ]} في عام ١٧٨٣، وجد خوسيه وفاوستو إلهويار حمضًا مصنوعًا من الولفراميت مطابقًا لحمض التنجستيك. وفي وقت لاحق من ذلك العام، في إسبانيا، نجح الأخوان في عزل المعدن المعروف الآن باسم التنجستن عن طريق اختزال هذا الحمض بالفحم ، ويُنسب إليهما الفضل في اكتشاف هذا العنصر. ^{[ ٦١ ] [ ٦٢ ]}

ابتكر الفيزيائي الإيطالي أليساندرو فولتا جهازًا لتجميع شحنة كهربائية كبيرة عبر سلسلة من عمليات الحث والتأريض. درس فولتا اكتشاف لويجي غالفاني في ثمانينيات القرن الثامن عشر لما يُعرف بـ" الكهرباء الحيوانية " ، ووجد أن التيار الكهربائي يتولد من تلامس معادن مختلفة، وأن ساق الضفدع لم تكن سوى كاشف. وفي عام ١٧٩٤، أثبت فولتا أنه عند توصيل معدنين بقطعة قماش أو كرتون منقوع في محلول ملحي في دائرة كهربائية، فإنهما يُنتجان تيارًا كهربائيًا .

في عام 1800، قام فولتا بتكديس عدة أزواج من أقراص النحاس (أو الفضة ) والزنك المتناوبة ( الأقطاب الكهربائية ) مفصولة بقطعة قماش أو كرتون مغموسة في محلول ملحي ( الإلكتروليت ) لزيادة موصلية الإلكتروليت. ^{[ 63 ]} عند توصيل القطبين العلوي والسفلي بسلك، تدفق تيار كهربائي عبر هذه المجموعة الفولتية والسلك الموصل. وبذلك، يُنسب إلى فولتا الفضل في بناء أول بطارية كهربائية لإنتاج الكهرباء .

لذا، يُعتبر فولتا مؤسس علم الكيمياء الكهربائية . ^{[ 64 ]} الخلية الجلفانية (أو الخلية الفولتية) هي خلية كهروكيميائية تستمد الطاقة الكهربائية من تفاعل أكسدة واختزال تلقائي يحدث داخلها. تتكون عادةً من معدنين مختلفين متصلين بجسر ملحي ، أو من نصفي خلية منفصلين بغشاء مسامي.

أثبت أنطوان لوران دي لافوازييه، من خلال قياسات دقيقة، استحالة تحويل الماء إلى تراب، وأن الرواسب التي لوحظت عند غلي الماء مصدرها الوعاء. وقد أحرق الفوسفور والكبريت في الهواء، وأثبت أن وزن النواتج كان أكبر من وزن العينات الأصلية، وأن الكتلة المكتسبة كانت ناتجة عن فقدان جزء من الكتلة من الهواء. وهكذا، في عام ١٧٨٩، وضع قانون حفظ الكتلة ، المعروف أيضاً باسم "قانون لافوازييه". ^{[ ٦٥ ]}

بإعادة تجارب بريستلي، أثبت لافوازييه أن الهواء يتكون من جزأين، أحدهما يتحد مع المعادن لتكوين الكلس . وفي كتابه "اعتبارات عامة حول طبيعة الأحماض " (1778)، بيّن أن "الهواء" المسؤول عن الاحتراق هو أيضاً مصدر الحموضة. وفي العام التالي، أطلق على هذا الجزء اسم الأكسجين (كلمة يونانية تعني مُكوِّن الحمض)، وعلى الجزء الآخر اسم الآزوت (كلمة يونانية تعني لا حياة). وبفضل توصيفه الأكثر دقة للأكسجين كعنصر، يُنسب إلى لافوازييه اكتشاف الأكسجين إلى جانب بريستلي وشيل. كما اكتشف أن "الهواء القابل للاشتعال" الذي اكتشفه كافنديش - والذي أطلق عليه اسم الهيدروجين (كلمة يونانية تعني مُكوِّن الماء) - يتحد مع الأكسجين لتكوين الندى، كما ذكر بريستلي، والذي بدا وكأنه ماء. وفي كتابه "تأملات حول الفلوجستون" (1783)، أظهر لافوازييه عدم اتساق نظرية الفلوجستون للاحتراق. أسس ميخائيل لومونوسوف، بشكل مستقل، تقليداً للكيمياء في روسيا في القرن الثامن عشر؛ كما رفض نظرية الفلوجستون، وتنبأ بالنظرية الحركية للغازات . اعتبر لومونوسوف الحرارة شكلاً من أشكال الحركة، وطرح فكرة حفظ المادة.

عمل لافوازييه مع كلود لويس بيرتوليه وآخرين على ابتكار نظام للتسمية الكيميائية ، والذي يُعدّ أساس النظام الحديث لتسمية المركبات الكيميائية. في كتابه "طرق التسمية الكيميائية " (1787)، ابتكر لافوازييه نظام التسمية والتصنيف الذي لا يزال مستخدمًا على نطاق واسع حتى اليوم، بما في ذلك أسماء مثل حمض الكبريتيك والكبريتات والكبريتيتات . في عام 1785، كان بيرتوليه أول من أدخل استخدام غاز الكلور كمبيض تجاري. وفي العام نفسه ، حدد لأول مرة التركيب العنصري لغاز الأمونيا . أنتج بيرتوليه سائل تبييض حديثًا لأول مرة عام 1789 بتمرير غاز الكلور عبر محلول كربونات الصوديوم ، وكانت النتيجة محلولًا مخففًا من هيبوكلوريت الصوديوم . ومن المؤكسدات والمبيضات القوية الأخرى التي تحتوي على الكلور والتي درسها وكان أول من أنتجها، كلورات البوتاسيوم (KClO3 ₎ ، والمعروفة باسم "ملح بيرتوليه". يُعرف بيرتوليه أيضاً بمساهماته العلمية في نظرية التوازن الكيميائي من خلال آلية التفاعلات العكسية .

كان كتاب لافوازييه "رسالة أساسية في الكيمياء" (1789) أول كتاب دراسي حديث في الكيمياء، وقدّم رؤية موحدة لنظريات الكيمياء الحديثة، وتضمن بيانًا واضحًا لقانون حفظ الكتلة، ونفى وجود الفلوجستون. إضافةً إلى ذلك، احتوى الكتاب على قائمة بالعناصر، أو المواد التي لا يمكن تجزئتها، والتي شملت الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين والفوسفور والزئبق والزنك والكبريت . ومع ذلك، تضمنت قائمته أيضًا الضوء والسعرات الحرارية ، اللذين اعتقد أنهما مادتان. في هذا العمل، أكد لافوازييه على الأساس القائم على الملاحظة في كيمياءه، مصرحًا : "لقد حاولت... الوصول إلى الحقيقة من خلال ربط الحقائق؛ وكبح استخدام المنطق قدر الإمكان، والذي غالبًا ما يكون أداة غير موثوقة تضللنا، من أجل اتباع شعلة الملاحظة والتجربة قدر الإمكان." ومع ذلك، فقد اعتقد أن الوجود الحقيقي للذرات مستحيل من الناحية الفلسفية. وقد أثبت لافوازييه أن الكائنات الحية تفكك الهواء الجوي وتعيد تركيبه بنفس طريقة الجسم المحترق.

استخدم لافوازييه، بالتعاون مع بيير سيمون لابلاس ، مسعرًا حراريًا لتقدير كمية الحرارة المنبعثة لكل وحدة من ثاني أكسيد الكربون المُنتَج. ووجدا النسبة نفسها في اللهب والحيوانات، مما يشير إلى أن الحيوانات تُنتج الطاقة بنوع من الاحتراق. آمن لافوازييه بنظرية الجذور الحرة ، التي تنص على أن الجذور الحرة، التي تعمل كمجموعة واحدة في التفاعل الكيميائي، تتحد مع الأكسجين في التفاعلات. وكان يعتقد أن جميع الأحماض تحتوي على الأكسجين. كما اكتشف أن الماس هو شكل بلوري من الكربون.

على الرغم من أن العديد من شركاء لافوازييه كان لهم دورٌ بارزٌ في تطوير الكيمياء كعلمٍ قائمٍ بذاته، إلا أن زوجته ماري آن لافوازييه كانت، بلا شك، الأكثر تأثيرًا بينهم جميعًا. فبعد زواجهما، بدأت السيدة لافوازييه بدراسة الكيمياء واللغة الإنجليزية والرسم لمساعدة زوجها في عمله، إما بترجمة الأبحاث إلى الإنجليزية، وهي لغةٌ لم يكن لافوازييه يتقنها، أو بتدوين ورسم مختلف الأجهزة التي كان يستخدمها في مختبراته. ^{[ 66 ]} وبفضل قدرتها على قراءة وترجمة المقالات من بريطانيا لزوجها، تمكّن لافوازييه من الاطلاع على العديد من التطورات الكيميائية التي كانت تحدث خارج مختبره. علاوةً على ذلك، احتفظت السيدة لافوازييه بسجلاتٍ لأعمال زوجها وحرصت على نشرها. ظهرت أولى بوادر موهبة ماري آن الحقيقية ككيميائية في مختبر لافوازييه عندما كانت تترجم كتابًا للعالم ريتشارد كيروان . وأثناء الترجمة، اكتشفت العديد من الأخطاء وصحّحتها. عندما قدمت ترجمتها، إلى جانب ملاحظاتها، إلى لافوازييه، أدت مساهماتها إلى دحض لافوازييه لنظرية الفلوجستون.

قدّم لافوازييه إسهامات جوهرية عديدة في علم الكيمياء. فبعد أعماله، اكتسبت الكيمياء طابعًا كميًا دقيقًا، مما أتاح إمكانية وضع تنبؤات موثوقة. وكانت الثورة الكيميائية التي أحدثها ثمرة جهد واعٍ لدمج جميع التجارب ضمن إطار نظرية واحدة. وقد أرسى لافوازييه مبدأ التوازن الكيميائي، واستخدم الأكسجين لدحض نظرية الفلوجستون، وطوّر نظامًا جديدًا لتسمية المركبات الكيميائية. إلا أن إسهاماته الواعدة توقفت فجأة عندما قُطع رأسه خلال الثورة الفرنسية .

في عام 1803، اقترح عالم الأرصاد الجوية والكيميائي الإنجليزي جون دالتون قانون دالتون ، الذي يصف العلاقة بين مكونات خليط من الغازات والضغط النسبي الذي يساهم به كل مكون في الضغط الكلي للخليط. ^{[ 68 ]} يُعرف هذا المفهوم، الذي اكتُشف عام 1801، أيضًا باسم قانون دالتون للضغوط الجزئية.

اقترح دالتون أيضًا نظرية ذرية حديثة عام 1803، تنص على أن المادة تتكون من جسيمات صغيرة غير قابلة للتجزئة تُسمى الذرات، وأن ذرات العنصر الواحد لها خصائص ووزن فريدان، وأن هناك ثلاثة أنواع من الذرات: البسيطة (العناصر)، والمركبة (الجزيئات البسيطة)، والمعقدة (الجزيئات المعقدة). وفي عام 1808، نشر دالتون كتابه " النظام الجديد للفلسفة الكيميائية" (1808-1827)، الذي وضع فيه أول وصف علمي حديث للنظرية الذرية. وقد حدد هذا العمل العناصر الكيميائية كنوع محدد من الذرات، رافضًا بذلك نظرية نيوتن عن الروابط الكيميائية .

بدلاً من ذلك، استنتج دالتون نسب العناصر في المركبات من خلال حساب نسب أوزان المواد المتفاعلة، مع افتراض أن الوزن الذري للهيدروجين يساوي واحدًا. وباتباع جيريمياس بنيامين ريختر (المعروف بتقديمه مصطلح القياس الكمي )، اقترح أن العناصر الكيميائية تتحد بنسب صحيحة. يُعرف هذا بقانون النسب المتعددة أو قانون دالتون، وقد أدرج دالتون وصفًا واضحًا لهذا القانون في كتابه " النظام الجديد للفلسفة الكيميائية" . يُعد قانون النسب المتعددة أحد القوانين الأساسية للقياس الكمي المستخدمة في تأسيس النظرية الذرية. على الرغم من أهمية هذا العمل باعتباره أول رؤية للذرات ككيانات فيزيائية حقيقية، وتقديمه لنظام الرموز الكيميائية، فقد خصص كتاب "النظام الجديد للفلسفة الكيميائية" حيزًا كبيرًا للنظرية الحرارية، يكاد يُضاهي الحيز المخصص للذرية.

اقترح الكيميائي الفرنسي جوزيف بروست قانون النسب الثابتة ، الذي ينص على أن العناصر تتحد دائمًا بنسب عددية صحيحة صغيرة لتكوين المركبات، استنادًا إلى عدة تجارب أُجريت بين عامي 1797 و1804. ^{[ 69 ]} إلى جانب قانون النسب المتعددة، يُشكل قانون النسب الثابتة أساس علم القياس الكيميائي. لا يُثبت قانون النسب الثابتة والتركيب الثابت وجود الذرات، لكن يصعب تفسيرهما دون افتراض أن المركبات الكيميائية تتكون عندما تتحد الذرات بنسب ثابتة.

شرع الكيميائي السويدي يونس جاكوب بيرزيليوس ، تلميذ دالتون، في برنامج منهجي لمحاولة إجراء قياسات كمية دقيقة وضمان نقاء المواد الكيميائية. يُعرف بيرزيليوس، إلى جانب لافوازييه وبويل ودالتون، بأنه أبو الكيمياء الحديثة. في عام 1828، وضع جدولًا للأوزان الذرية النسبية، مستخدمًا الأكسجين كمعيار بوزن 100، وشمل جميع العناصر المعروفة آنذاك. قدم هذا العمل دليلًا يدعم نظرية دالتون الذرية، التي تنص على أن المركبات الكيميائية غير العضوية تتكون من ذرات مرتبطة بنسب عددية صحيحة . حدد بيرزيليوس المكونات الأولية الدقيقة لعدد كبير من المركبات، ودعمت النتائج بقوة قانون النسب الثابتة لبروست. باكتشافه أن الأوزان الذرية ليست مضاعفات صحيحة لوزن الهيدروجين، دحض بيرزيليوس أيضًا فرضية بروست القائلة بأن العناصر تتكون من ذرات الهيدروجين.

انطلاقًا من تقديراته الواسعة للأوزان الذرية ورغبةً منه في تسهيل تجاربه، قدّم بيرزيليوس النظام الكلاسيكي للرموز والتدوين الكيميائي في كتابه "Lärbok i Kemien" الصادر عام 1808 ، حيث تُختصر العناصر إلى حرف أو حرفين لتكوين رمز مميز عن اسمها اللاتيني. هذا النظام من التدوين الكيميائي - الذي تُعطى فيه العناصر رموزًا كتابية بسيطة، مثل O للأكسجين أو Fe للحديد، مع الإشارة إلى النسب بالأرقام - هو نفسه النظام الأساسي المستخدم اليوم. الفرق الوحيد هو أنه بدلًا من الرقم السفلي المستخدم اليوم (مثل H₂O ₎ ، استخدم بيرزيليوس رقمًا علويًا (H₂O ⁾ . يُنسب إلى بيرزيليوس الفضل في تحديد العناصر الكيميائية السيليكون والسيلينيوم والثوريوم والسيريوم . كما اكتشف الطلاب الذين عملوا في مختبر بيرزيليوس الليثيوم والفاناديوم .

طوّر بيرزيليوس نظرية الجذور الحرة للتفاعلات الكيميائية، التي تنص على أن التفاعلات تحدث نتيجة تبادل مجموعات مستقرة من الذرات تُسمى الجذور الحرة بين الجزيئات . اعتقد بيرزيليوس أن الأملاح مركبات تتكون من أحماض وقواعد ، واكتشف أن الأنيونات في الأحماض تنجذب إلى القطب الموجب ( الأنود )، بينما تنجذب الكاتيونات في القواعد إلى القطب السالب ( الكاثود ). لم يؤمن بيرزيليوس بنظرية الحيوية ، بل آمن بقوة تنظيمية تُنتج تنظيم الأنسجة في الكائن الحي. يُنسب إلى بيرزيليوس أيضًا ابتكار المصطلحات الكيميائية " الحفز " و" البوليمر " و" المتشكل " و" المتآصل "، على الرغم من أن تعريفاته الأصلية تختلف اختلافًا كبيرًا عن الاستخدام الحديث. على سبيل المثال، صاغ مصطلح "البوليمر" عام 1833 لوصف المركبات العضوية التي تشترك في نفس الصيغة التجريبية ولكنها تختلف في الوزن الجزيئي الإجمالي، حيث يُوصف المركب الأكبر بأنه "بوليمر" للمركب الأصغر. وفقًا لهذا التعريف القديم الذي تم تجاوزه منذ فترة طويلة، والذي كان يُعتبر قبل البنية، _{كان يُنظر} إلى الجلوكوز (C6H12O6 ₎ على أنه _بوليمر من الفورمالديهايد (CH2O ) .

كان الكيميائي الإنجليزي همفري ديفي رائدًا في مجال التحليل الكهربائي ، حيث استخدم عمود فولتا الذي ابتكره أليساندرو فولتا لفصل المركبات الشائعة، وبالتالي عزل سلسلة من العناصر الجديدة. ثم قام بتحليل الأملاح المنصهرة كهربائيًا واكتشف العديد من المعادن الجديدة، وخاصة الصوديوم والبوتاسيوم ، وهما عنصران شديدا التفاعل يُعرفان بالفلزات القلوية . اكتُشف البوتاسيوم، أول معدن تم عزله بالتحليل الكهربائي، عام 1807 على يد ديفي، الذي استخلصه من هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH). قبل القرن التاسع عشر، لم يكن هناك تمييز بين البوتاسيوم والصوديوم. عزل ديفي الصوديوم لأول مرة في العام نفسه بتمرير تيار كهربائي عبر هيدروكسيد الصوديوم المنصهر (NaOH). عندما سمع ديفي أن بيرزيليوس وبونتين قد حضرا ملغم الكالسيوم بتحليل الجير كهربائيًا في الزئبق، جرب ذلك بنفسه. نجح ديفي، واكتشف الكالسيوم عام 1808 بتحليل خليط من الجير وأكسيد الزئبق كهربائيًا . ^{[ 70 ] [ 71 ]} عمل في مجال التحليل الكهربائي طوال حياته، وفي عام 1808 ، ^عزل المغنيسيوم والسترونتيوم ^[ 72 ^] والباريوم . ^{[ 73 ]}

أجرى ديفي تجارب على الغازات عن طريق استنشاقها. كادت هذه التجربة أن تكون قاتلة في عدة مناسبات، لكنها أدت إلى اكتشاف التأثيرات غير العادية لأكسيد النيتروز ، الذي عُرف لاحقًا باسم غاز الضحك. اكتُشف الكلور عام 1774 على يد الكيميائي السويدي كارل فيلهلم شيل ، الذي أطلق عليه اسم "حمض بحري منزوع الفلوجستون" (انظر نظرية الفلوجستون )، وظن خطأً أنه يحتوي على الأكسجين . لاحظ شيل العديد من خصائص غاز الكلور، مثل تأثيره المُبيِّض على ورق عباد الشمس، وتأثيره القاتل على الحشرات، ولونه الأصفر المخضر، وتشابه رائحته مع رائحة الماء الملكي . مع ذلك، لم يتمكن شيل من نشر نتائجه في ذلك الوقت. في عام 1810، أُطلق على الكلور اسمه الحالي من قِبل همفري ديفي (المشتق من الكلمة اليونانية التي تعني الأخضر)، الذي أصرّ على أن الكلور عنصر كيميائي . ^{[ 74 ]} كما أثبت أنه لا يمكن الحصول على الأكسجين من المادة المعروفة باسم حمض الأوكسيمورياتيك (محلول حمض الهيدروكلوريك). وقد قلب هذا الاكتشاف تعريف لافوازييه للأحماض باعتبارها مركبات أكسجين. كان ديفي محاضرًا بارعًا ومجربًا متميزًا.

شارك الكيميائي الفرنسي جوزيف لويس غاي لوساك لافوازييه وغيره اهتمامهم بالدراسة الكمية لخصائص الغازات. ومن خلال برنامجه البحثي الرئيسي الأول في الفترة 1801-1802، استنتج أن الأحجام المتساوية من جميع الغازات تتمدد بنفس القدر مع نفس الزيادة في درجة الحرارة: يُعرف هذا الاستنتاج عادةً باسم " قانون شارل "، حيث نسب غاي لوساك الفضل إلى جاك شارل ، الذي توصل إلى استنتاج مماثل تقريبًا في ثمانينيات القرن الثامن عشر ولكنه لم ينشره. ^{[ 75 ]} وقد اكتشف الفيلسوف الطبيعي البريطاني جون دالتون هذا القانون بشكل مستقل بحلول عام 1801، على الرغم من أن وصف دالتون كان أقل تفصيلًا من وصف غاي لوساك. ^{[ 76 ] [ 77 ]} في عام 1804، قام غاي-لوساك بعدة صعود جريئة لأكثر من 7000 متر فوق مستوى سطح البحر في مناطيد مملوءة بالهيدروجين، وهو إنجاز لم يُضاهى لمدة 50 عامًا أخرى، مما سمح له بدراسة جوانب أخرى من الغازات. لم يقتصر الأمر على جمعه قياسات مغناطيسية على ارتفاعات مختلفة، بل قام أيضًا بقياسات الضغط ودرجة الحرارة والرطوبة، وأخذ عينات من الهواء، والتي قام بتحليلها كيميائيًا لاحقًا.

في عام ١٨٠٨، أعلن غاي-لوساك ما يُعد على الأرجح أعظم إنجازاته: فقد استنتج من تجاربه وتجارب غيره أن الغازات عند ثبات درجة الحرارة والضغط تتحد بنسب عددية بسيطة حسب الحجم، وأن الناتج أو النواتج -إن كانت غازات- تتناسب حجميًا أيضًا بنسبة بسيطة مع أحجام المواد المتفاعلة. بعبارة أخرى، تتفاعل الغازات في ظل ظروف متساوية من درجة الحرارة والضغط بنسب حجمية من أعداد صحيحة صغيرة. عُرف هذا الاستنتاج لاحقًا باسم " قانون غاي-لوساك " أو " قانون دمج الأحجام ". شارك غاي-لوساك، مع زميله الأستاذ في المدرسة المتعددة التقنيات ، لويس جاك تينارد ، في أبحاث الكيمياء الكهربائية المبكرة، حيث درسوا العناصر التي اكتُشفت بواسطتها. ومن بين إنجازات أخرى، تمكنا من تحليل حمض البوريك باستخدام البوتاسيوم المنصهر، مكتشفين بذلك عنصر البورون . كما شارك الاثنان في مناقشات معاصرة عدّلت تعريف لافوازييه للأحماض وعززت برنامجه لتحليل المركبات العضوية من حيث محتواها من الأكسجين والهيدروجين.

اكتشف الكيميائي الفرنسي برنارد كورتوا عنصر اليود عام 1811. ^{[ 78 ] [ 79 ]} أعطى كورتوا عينات منه لصديقيه، شارل برنارد ديزورم (1777-1862) ونيكولا كليمان (1779-1841)، لمواصلة البحث. كما أعطى بعضًا من المادة لغاي-لوساك والفيزيائي أندريه-ماري أمبير . في 6 ديسمبر 1813، أعلن غاي-لوساك أن المادة الجديدة إما عنصر أو مركب من الأكسجين. ^{[ 80 ] [ 81 ] [ 82 ]} وكان غاي-لوساك هو من اقترح اسم "يود" (iode) ، من الكلمة اليونانية ιώδες (iodes) التي تعني البنفسجي (بسبب لون بخار اليود). ^{[ 78 ] [ 80 ]} أعطى أمبير بعضًا من عيّنته لهامفري ديفي. أجرى ديفي بعض التجارب على المادة ولاحظ تشابهها مع الكلور. ^{[ 83 ]} أرسل ديفي رسالة مؤرخة في 10 ديسمبر إلى الجمعية الملكية في لندن يُفيد فيها بأنه قد اكتشف عنصرًا جديدًا. ^{[ 84 ]} نشبت خلافات بين ديفي وجاي-لوساك حول من اكتشف اليود أولًا، لكن كلا العالِمين أقرا بأن كورتوا هو أول من عزل هذا العنصر.

في عام ١٨١٥، اخترع همفري ديفي مصباح ديفي ، الذي مكّن عمال مناجم الفحم من العمل بأمان في وجود الغازات القابلة للاشتعال. وقد وقعت العديد من انفجارات المناجم بسبب غاز الميثان ، الذي غالبًا ما كان يشتعل بفعل اللهب المكشوف للمصابيح التي كان يستخدمها العمال آنذاك. ابتكر ديفي استخدام شبكة حديدية لتغليف لهب المصباح، وبالتالي منع الميثان المحترق داخله من التسرب إلى الغلاف الجوي. مع أن فكرة مصباح الأمان كانت قد عُرضت سابقًا من قبل ويليام ريد كلاني والمهندس جورج ستيفنسون ، الذي كان مغمورًا آنذاك (لكنه أصبح مشهورًا فيما بعد) ، إلا أن استخدام ديفي للشبكة السلكية لمنع انتشار اللهب استُخدم من قبل العديد من المخترعين الآخرين في تصاميمهم اللاحقة. دار نقاش حول ما إذا كان ديفي قد اكتشف المبادئ الكامنة وراء مصباحه دون الاستعانة بعمل سميثسون تينانت ، ولكن كان هناك اتفاق عام على أن عمل الرجلين كان مستقلًا. رفض ديفي تسجيل براءة اختراع للمصباح، وأدى اختراعه إلى حصوله على ميدالية رومفورد في عام 1816. ^{[ 85 ]}

بعد أن نشر دالتون نظريته الذرية عام 1808، سرعان ما تبنى معظم الكيميائيين بعض أفكاره الأساسية. مع ذلك، استمر الغموض لنصف قرن حول كيفية صياغة النظرية الذرية وتطبيقها على أرض الواقع؛ إذ طور الكيميائيون في مختلف البلدان أنظمة ذرية متباينة وغير متوافقة. وفي عام 1811، نشر الفيزيائي الإيطالي أميديو أفوجادرو (1776-1856) ورقة بحثية اقترحت مخرجًا من هذا المأزق، حيث افترض أن الأحجام المتساوية من الغازات عند نفس درجة الحرارة والضغط تحتوي على أعداد متساوية من الجزيئات، ومن ثمّ استنتج أن الأوزان الجزيئية النسبية لأي غازين هي نفسها نسبة كثافتيهما في ظل نفس ظروف درجة الحرارة والضغط. كما استنتج أفوجادرو أن الغازات البسيطة لا تتكون من ذرات منفردة، بل هي جزيئات مركبة من ذرتين أو أكثر. وهكذا تمكن أفوجادرو من التغلب على الصعوبة التي واجهها دالتون وآخرون عندما أفاد جاي-لوساك بأن حجم بخار الماء عند درجة حرارة أعلى من 100 درجة مئوية كان ضعف حجم الأكسجين المستخدم في تكوينه. ووفقًا لأفوجادرو، فإن جزيء الأكسجين ينقسم إلى ذرتين أثناء عملية تكوين بخار الماء. 

تم تجاهل فرضية أفوجادرو لمدة نصف قرن بعد نشرها لأول مرة. وقد ذُكرت أسباب عديدة لهذا التجاهل، بما في ذلك بعض المشكلات النظرية، مثل "الازدواجية" التي طرحها يونس جاكوب بيرزيليوس، والتي أكدت أن المركبات تترابط بفعل تجاذب الشحنات الكهربائية الموجبة والسالبة، مما يجعل من غير المتصور وجود جزيء مكون من ذرتين متشابهتين كهربائيًا - كما هو الحال في الأكسجين. وكان من بين العوائق الأخرى أمام قبول الفرضية تردد العديد من الكيميائيين في تبني الأساليب الفيزيائية (مثل قياس كثافة البخار) لحل مشكلاتهم. إلا أنه بحلول منتصف القرن، بدأ بعض العلماء البارزين ينظرون إلى التعددية الفوضوية للأنظمة المتنافسة للأوزان الذرية والصيغ الجزيئية على أنها غير مقبولة. علاوة على ذلك، بدأت تتراكم أدلة كيميائية بحتة تشير إلى أن منهج أفوجادرو قد يكون صحيحًا في نهاية المطاف. خلال خمسينيات القرن التاسع عشر، بدأ الكيميائيون الأصغر سناً، مثل ألكسندر ويليامسون في إنجلترا، وتشارلز جيرهاردت وتشارلز أدولف وورتز في فرنسا، وأوغست كيكولي في ألمانيا، في الدعوة إلى إصلاح الكيمياء النظرية لجعلها متسقة مع نظرية أفوجادرين.

في عام 1825، حقق فريدريك فولر وجوستوس فون ليبيغ أول اكتشاف مؤكد وتفسير للمتزامرات ، التي أطلق عليها بيرزيليوس هذا الاسم سابقًا. ومن خلال عملهما على حمض السيانيك وحمض الفولمينيك ، استنتجا بشكل صحيح أن التماكب ناتج عن اختلاف ترتيب الذرات داخل البنية الجزيئية. وفي عام 1827، صنف ويليام براوت الجزيئات الحيوية إلى مجموعاتها الحديثة: الكربوهيدرات والبروتينات والدهون . وبعد حسم طبيعة الاحتراق، بدأ جدل حول نظرية الحيوية والتمييز الجوهري بين المواد العضوية وغير العضوية. وشهدت مسألة الحيوية تحولًا جذريًا في عام 1828 عندما قام فريدريك فولر بتخليق اليوريا ، مما أثبت إمكانية إنتاج المركبات العضوية من مواد أولية غير عضوية، ودحض نظرية الحيوية.

فتح هذا الاكتشاف آفاقًا جديدة في مجال البحث الكيميائي، وبحلول نهاية القرن التاسع عشر، تمكن العلماء من تخليق مئات المركبات العضوية. ومن أهمها الأصباغ الاصطناعية مثل الموف والأرجواني ، بالإضافة إلى دواء الأسبرين واسع الانتشار . وقد أسهم اكتشاف التخليق الاصطناعي لليوريا إسهامًا كبيرًا في نظرية التماكب ، إذ تتطابق الصيغ الكيميائية التجريبية لليوريا مع سيانيد الأمونيوم (انظر تخليق فولر ). في عام ١٨٣٢، اكتشف فريدريك فولر وجوستوس فون ليبيغ المجموعات الوظيفية والجذور الحرة وشرحاها في سياق الكيمياء العضوية، كما قاما بتخليق البنزالدهيد لأول مرة . وقدّم ليبيغ، الكيميائي الألماني، إسهامات جليلة في الكيمياء الزراعية والبيولوجية ، وعمل على تنظيم الكيمياء العضوية ، ويُعتبر أحد مؤسسيها الرئيسيين. ^{[ 88 ]} يعتبر ليبيج أيضًا "أبو صناعة الأسمدة " لاكتشافه النيتروجين كعنصر غذائي أساسي للنباتات ، وصياغة قانون الحد الأدنى الذي وصف تأثير العناصر الغذائية الفردية على المحاصيل.

كان فلاديمير ماركوفنيكوف، المولود عام 1838، عالمًا روسيًا أنجز معظم أعماله في جامعة قازان بروسيا. ^{[ 89 ]} في قازان، درس على يد بوتليروف في مختبر يُعرف باسم "مهد الكيمياء العضوية الروسية"، وبعد ذلك درس الكيمياء في ألمانيا لمدة عامين. ^{[ 89 ]} شملت إسهامات ماركوفنيكوف في مجال الكيمياء العضوية تطوير قاعدة ماركوفنيكوف ، التي تنص على أن هاليدات الهيدروجين، عند إضافتها إلى الألكينات والألكاينات، ترتبط بطريقة تجعل ذرات الهيدروجين ترتبط بجانب ذرة الكربون الذي يحتوي على أكبر عدد من بدائل الهيدروجين. ^{[ 90 ]} تُعتبر النواتج الكيميائية التي تتبع هذه القاعدة نواتج ماركوفنيكوف، بينما تُعتبر تلك التي لا تتبعها نواتج مضادة لماركوفنيكوف. ^{[ 90 ]} كانت قاعدة ماركوفنيكوف مثالًا مبكرًا على الانتقائية الموضعية في التخليق العضوي، ولا يزال فهمها الحديث مهمًا في الصناعة الكيميائية، حيث طُوّرت محفزات لإنتاج نواتج مضادة لقاعدة ماركوفنيكوف. ^{[ 90 ]} من الجوانب المهمة لقاعدة ماركوفنيكوف أنها تفسر التفاعلية بناءً على الترتيب البنيوي للذرات، إذ لم يعتبر العديد من الكيميائيين في ذلك الوقت الصيغ الكيميائية تمثيلًا للترتيب الفيزيائي للذرات (انظر أيضًا نظرية الجذور الحرة ). ^{[ 91 ]}

في عام 1840، اقترح جيرمان هيس قانون هيس ، وهو صياغة مبكرة لقانون حفظ الطاقة ، الذي ينص على أن تغيرات الطاقة في عملية كيميائية تعتمد فقط على حالات المواد المتفاعلة والناتجة، وليس على المسار المحدد الذي تسلكه بين هاتين الحالتين. وفي عام 1847، حصل هيرمان كولبه على حمض الخليك من مصادر غير عضوية تمامًا، مما دحض نظرية الحيوية. وفي عام 1848، وضع ويليام طومسون، البارون الأول لكلفن (المعروف باسم اللورد كلفن)، مفهوم الصفر المطلق ، وهي درجة الحرارة التي تتوقف عندها جميع الحركات الجزيئية. وفي عام 1849، اكتشف لويس باستور أن الشكل الراسيمي لحمض الطرطريك هو مزيج من الشكلين اليساري واليميني الدوران، مما أوضح طبيعة الدوران البصري وساهم في تطوير مجال الكيمياء الفراغية . ^{[ 92 ]} وفي عام 1852، اقترح أوغست بير قانون بير ، الذي يفسر العلاقة بين تركيب الخليط وكمية الضوء التي يمتصها. استنادًا جزئيًا إلى أعمال سابقة لبيير بوجيه ويوهان هاينريش لامبرت ، أسست هذه التقنية التحليلية المعروفة باسم قياس الطيف الضوئي . ^{[ 93 ]} في عام 1855، كان بنيامين سيليمان الابن رائدًا في طرق تكسير البترول ، مما جعل صناعة البتروكيماويات الحديثة بأكملها ممكنة. ^{[ 94 ]}

لم تحظَ فرضية أفوجادرو بقبول واسع بين الكيميائيين إلا بعد أن أثبت مواطنه وزميله العالم ستانيسلاو كانيزارو أهميتها عام 1858، أي بعد عامين من وفاة أفوجادرو. كانت اهتمامات كانيزارو الكيميائية قد انصبت في الأصل على المنتجات الطبيعية وتفاعلات المركبات العطرية ؛ ففي عام 1853 اكتشف أنه عند معالجة البنزالدهيد بقاعدة مركزة، ينتج كل من حمض البنزويك وكحول البنزيل - وهي ظاهرة تُعرف اليوم بتفاعل كانيزارو . في كُتيبه الصادر عام 1858، بيّن كانيزارو أن العودة الكاملة إلى أفكار أفوجادرو يُمكن أن تُستخدم لبناء هيكل نظري متسق وقوي يُناسب جميع الأدلة التجريبية المتاحة تقريبًا. فعلى سبيل المثال، أشار إلى أدلة تُشير إلى أن ليس كل الغازات الأولية تتكون من ذرتين لكل جزيء - فبعضها أحادي الذرة ، ومعظمها ثنائي الذرة ، وقليل منها أكثر تعقيدًا.

كانت إحدى نقاط الخلاف الأخرى هي صيغ مركبات الفلزات القلوية (مثل الصوديوم ) والفلزات القلوية الترابية (مثل الكالسيوم )، والتي، نظرًا لتشابهها الكيميائي اللافت، رغب معظم الكيميائيين في تصنيفها ضمن نفس الصيغة. جادل كانيزارو بأن وضع هذه الفلزات في فئات مختلفة يُسهم في التخلص من بعض الشذوذات عند استخدام خصائصها الفيزيائية لاستنتاج الأوزان الذرية. لسوء الحظ، نُشرت كتيبات كانيزارو في البداية باللغة الإيطالية فقط، ولم يكن لها تأثير فوري يُذكر. وجاء الإنجاز الحقيقي مع انعقاد مؤتمر كيميائي دولي في مدينة كارلسروه الألمانية في سبتمبر 1860، والذي حضره معظم كبار الكيميائيين الأوروبيين. وقد نظّم مؤتمر كارلسروه كلٌ من كيكولي وورتز وعدد قليل من الآخرين الذين شاركوا كانيزارو رؤيته لمسار الكيمياء. وبحديثه بالفرنسية (كما كان حال جميع الحاضرين)، تركت بلاغة كانيزارو ومنطقه انطباعًا لا يُمحى لدى الحضور. علاوة على ذلك، قام صديقه أنجيلو بافيسي بتوزيع كتيب كانيزارو على الحضور في نهاية الاجتماع؛ وقد كتب أكثر من كيميائي لاحقًا عن الأثر الحاسم الذي أحدثته قراءة هذه الوثيقة. فعلى سبيل المثال، كتب لوثار ماير لاحقًا أنه عند قراءة ورقة كانيزارو، "انكشفت الحقيقة من حولي". ^{[ 95 ]} وهكذا لعب كانيزارو دورًا محوريًا في كسب معركة الإصلاح. إن النظام الذي دعا إليه، والذي تبناه بعد ذلك بوقت قصير معظم الكيميائيين البارزين، مطابقٌ إلى حد كبير لما يُستخدم حتى اليوم.

في عام ١٨٥٦، سعى السير ويليام هنري بيركن ، البالغ من العمر ١٨ عامًا، استجابةً لتحدٍّ من أستاذه أوغست فيلهلم فون هوفمان ، إلى تصنيع الكينين ، دواء الملاريا ، من قطران الفحم . في إحدى محاولاته، أكسد بيركن الأنيلين باستخدام ثنائي كرومات البوتاسيوم ، فتفاعلت شوائب التولويدين الموجودة فيه مع الأنيلين، مُنتجةً مادة صلبة سوداء، مما يشير إلى فشل عملية التخليق العضوي. أثناء تنظيف القارورة بالكحول، لاحظ بيركن وجود أجزاء أرجوانية اللون في المحلول: كان أحد نواتج هذه المحاولة أول صبغة اصطناعية، تُعرف باسم الموفين أو بنفسج بيركن. يُعد اكتشاف بيركن أساس صناعة تصنيع الأصباغ، إحدى أوائل الصناعات الكيميائية الناجحة.

كانت أهم إسهامات الكيميائي الألماني أوغست كيكوليه فون سترادونيتز نظريته البنيوية للتركيب العضوي، والتي عرضها في مقالتين نُشرتا عامي 1857 و1858، وتناولها بتفصيل كبير في كتابه الشهير " Lehrbuch der organischen Chemie " (كتاب الكيمياء العضوية)، الذي صدر الجزء الأول منه عام 1859، ثم امتد تدريجيًا إلى أربعة مجلدات. جادل كيكوليه بأن ذرات الكربون رباعية التكافؤ - أي الكربون الذي يُكوّن أربع روابط كيميائية بالضبط - يمكن أن ترتبط معًا لتشكيل ما أسماه "سلسلة الكربون" أو "هيكل الكربون"، والذي يمكن أن تنضم إليه ذرات أخرى ذات تكافؤات مختلفة (مثل الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والكلور). كان مقتنعًا بإمكانية تحديد هذا التركيب الجزيئي المفصل للمركبات العضوية الأبسط المعروفة في عصره على الأقل. لم يكن كيكوليه الكيميائي الوحيد الذي طرح مثل هذه الادعاءات في تلك الحقبة. نشر الكيميائي الاسكتلندي أرشيبالد سكوت كوبر نظرية مشابهة إلى حد كبير في نفس الفترة تقريبًا، وقدّم الكيميائي الروسي ألكسندر بوتليروف الكثير من الجهد لتوضيح وتوسيع نظرية البنية. ومع ذلك، فقد سادت أفكار كيكوليه بشكل أساسي في الأوساط الكيميائية.

يُعرف الكيميائي والفيزيائي البريطاني ويليام كروكس بدراساته حول أشعة الكاثود ، والتي تُعدّ أساسية في تطور الفيزياء الذرية . قادته أبحاثه حول التفريغ الكهربائي عبر غاز متخلخل إلى ملاحظة الفراغ المظلم حول الكاثود، والذي يُعرف الآن باسم فراغ كروكس المظلم. وقد أثبت أن أشعة الكاثود تسير في خطوط مستقيمة وتُنتج توهجًا فسفوريًا وحرارة عند اصطدامها ببعض المواد. وبصفته رائدًا في مجال أنابيب التفريغ، اخترع كروكس أنبوب كروكس - وهو أنبوب تفريغ تجريبي مبكر، يعمل بتفريغ جزئي، استخدمه لدراسة سلوك أشعة الكاثود. ومع إدخال تحليل الطيف على يد روبرت بنسن وجوستاف كيرشوف (1859-1860)، طبّق كروكس هذه التقنية الجديدة لدراسة مركبات السيلينيوم . وكان بنسن وكيرشوف قد استخدما سابقًا التحليل الطيفي كوسيلة للتحليل الكيميائي لاكتشاف السيزيوم والروبيديوم . وفي عام 1861، استخدم كروكس هذه العملية لاكتشاف الثاليوم في بعض رواسب السيلينيوم. واصل كروكس العمل على هذا العنصر الجديد، وعزله، ودرس خصائصه، وفي عام ١٨٧٣ حدد وزنه الذري. وخلال دراساته على الثاليوم، اكتشف كروكس مبدأ مقياس كروكس الإشعاعي ، وهو جهاز يحول الإشعاع الضوئي إلى حركة دورانية. وقد وجد مبدأ هذا المقياس الإشعاعي تطبيقات عديدة في تطوير أدوات قياس حساسة.

في عام ١٨٦٢، عرض ألكسندر باركس مادة الباركسين ، وهي من أوائل البوليمرات الاصطناعية ، في المعرض الدولي بلندن. وشكّل هذا الاكتشاف أساس صناعة البلاستيك الحديثة . وفي عام ١٨٦٤، اقترح كاتو ماكسيميليان غولدبرغ وبيتر واج ، استنادًا إلى أفكار كلود لويس بيرتوليه، قانون فعل الكتلة . وفي عام ١٨٦٥، حدّد يوهان جوزيف لوشميدت عدد الجزيئات في المول ، والذي سُمّي لاحقًا بعدد أفوجادرو .

في عام 1865، وضع أوغست كيكولي، مستندًا جزئيًا إلى أعمال لوشميدت وآخرين، بنية البنزين كحلقة سداسية الكربون ذات روابط أحادية وثنائية متناوبة . وقد لاقى اقتراح كيكولي المبتكر لبنية البنزين الحلقية جدلًا واسعًا، لكنه لم يُستبدل بنظرية أفضل. وشكّلت هذه النظرية الأساس العلمي للتوسع الهائل للصناعة الكيميائية الألمانية في الثلث الأخير من القرن التاسع عشر. ويُعرف كيكولي أيضًا بتوضيحه لطبيعة المركبات العطرية، وهي مركبات أساسها جزيء البنزين. وفي عام 1865، بدأ أدولف فون باير العمل على صبغة النيلة ، التي مثّلت علامة فارقة في الكيمياء العضوية الصناعية الحديثة، وأحدثت ثورة في صناعة الأصباغ.

اكتشف الكيميائي والمخترع السويدي ألفريد نوبل أن دمج النيتروجليسرين في مادة خاملة ماصة مثل الكيزلغور ( التراب الدياتومي ) يجعله أكثر أمانًا وسهولة في الاستخدام، وقد حصل على براءة اختراع لهذا المزيج عام 1867 تحت اسم الديناميت . لاحقًا، قام نوبل بدمج النيتروجليسرين مع مركبات نيتروسليلوزية مختلفة، مشابهة للكولوديون ، لكنه استقر على تركيبة أكثر فعالية تجمع بين متفجر نتراتي آخر، وحصل على مادة شفافة هلامية، كانت أقوى من الديناميت. حصل الجيلجنيت ، أو الجيلاتين المتفجر كما سُمي، على براءة اختراع عام 1876؛ وتلاه العديد من التركيبات المماثلة، المعدلة بإضافة نترات البوتاسيوم ومواد أخرى متنوعة.

كان تطوير ديمتري مندليف لأول جدول دوري حديث، أو التصنيف الدوري للعناصر، إنجازًا هامًا في فهم قائمة العناصر الكيميائية المعروفة (وكذلك في فهم التركيب الداخلي للذرات) . شعر مندليف، الكيميائي الروسي، بوجود نوع من النظام بين العناصر، فأمضى أكثر من ثلاثة عشر عامًا من حياته في جمع البيانات وتكوين هذا المفهوم، بهدف تبسيط بعض جوانب هذا المجال لطلابه. اكتشف مندليف أنه عند ترتيب جميع العناصر الكيميائية المعروفة تصاعديًا حسب الوزن الذري، يُظهر الجدول الناتج نمطًا متكررًا، أو دورية، في الخصائص ضمن مجموعات العناصر. سمح له قانون مندليف ببناء جدول دوري منهجي لجميع العناصر الستة والستين المعروفة آنذاك بناءً على الكتلة الذرية، والذي نشره في كتابه " مبادئ الكيمياء" عام 1869. وقد جُمع جدوله الدوري الأول على أساس ترتيب العناصر تصاعديًا حسب الوزن الذري وتجميعها حسب تشابه خصائصها.

كان لدى مندليف ثقة كبيرة بصحة القانون الدوري لدرجة أنه اقترح تغييرات على القيم المقبولة عمومًا للوزن الذري لبعض العناصر، وفي نسخته من الجدول الدوري عام 1871، تنبأ بمواقع العناصر المجهولة داخل الجدول مع خصائصها. بل إنه تنبأ بالخصائص المحتملة لثلاثة عناصر لم تكن قد اكتُشفت بعد، أطلق عليها اسم إيكابورون (Eb) وإيكا ألومنيوم (Ea) وإيكا سيليكون (Es) ، والتي أثبتت أنها مؤشرات جيدة لخصائص السكانديوم والغاليوم والجرمانيوم على التوالي ، والتي يشغل كل منها الموقع الذي حدده مندليف في الجدول الدوري.

في البداية، لم يثر الجدول الدوري اهتمام الكيميائيين. إلا أنه مع اكتشاف العناصر المتوقعة، ولا سيما الغاليوم عام 1875، والسكانديوم عام 1879، والجرمانيوم عام 1886، بدأ يحظى بقبول واسع. وقد أكسبه إثبات صحة العديد من تنبؤاته خلال حياته شهرةً واسعةً كمؤسس للقانون الدوري. تفوق هذا التنظيم على محاولات التصنيف السابقة التي قام بها ألكسندر إميل بيغييه دي شانكورتوا ، الذي نشر الحلزون الأرضي، وهو نسخة ثلاثية الأبعاد مبكرة من الجدول الدوري للعناصر عام 1862، وجون نيولاندز ، الذي اقترح قانون الأوكتافات (الذي سبق القانون الدوري) عام 1864، ولوثار ماير ، الذي طور نسخة مبكرة من الجدول الدوري تضم 28 عنصرًا مرتبة حسب التكافؤ عام 1864. مع ذلك، لم يتضمن جدول مندليف أيًا من الغازات النبيلة ، التي لم تكن قد اكتُشفت بعد. تدريجياً، أصبح القانون الدوري والجدول الدوري أساساً لجزء كبير من النظرية الكيميائية. وبحلول وقت وفاة مندليف عام 1907، كان قد حظي باعتراف دولي وحصل على جوائز وتكريمات من العديد من الدول.

في عام ١٨٧٣، قام جاكوبوس هنريكوس فان هوف وجوزيف أشيل لو بيل ، كلٌ على حدة، بتطوير نموذج للرابطة الكيميائية يُفسر تجارب باستور حول الكيرالية، ويُقدم تفسيرًا فيزيائيًا للنشاط البصري في المركبات الكيرالية. ^{[ ٩٦ ]} وقد أعطى منشور فان هوف، بعنوان " Voorstel tot Uitbreiding der Tegenwoordige in de Scheikunde gebruikte Structuurformules in de Ruimte , etc." (مقترح لتطوير الصيغ البنائية الكيميائية ثلاثية الأبعاد)، والذي يتألف من اثنتي عشرة صفحة نصية وصفحة واحدة من الرسوم البيانية، دفعةً قويةً لتطوير الكيمياء الفراغية . وقد قدّم مفهوم "ذرة الكربون غير المتناظرة"، الذي تناوله هذا المنشور، تفسيرًا لوجود العديد من المتصاوغات، التي لم يكن من الممكن تفسيرها باستخدام الصيغ البنائية السائدة آنذاك. وفي الوقت نفسه، أشار إلى وجود علاقة بين النشاط البصري ووجود ذرة كربون غير متناظرة.

كان لعمل الفيزيائي الرياضي الأمريكي ج. ويلارد جيبس ​​في تطبيقات الديناميكا الحرارية دورٌ محوري في تحويل الكيمياء الفيزيائية إلى علم استنتاجي دقيق. خلال الفترة من 1876 إلى 1878، عمل جيبس ​​على مبادئ الديناميكا الحرارية، مُطبقًا إياها على العمليات المعقدة التي تنطوي عليها التفاعلات الكيميائية. اكتشف مفهوم الجهد الكيميائي ، أو "الوقود" الذي يُحفز التفاعلات الكيميائية. في عام 1876، نشر إسهامه الأشهر، " حول اتزان المواد غير المتجانسة "، وهو عبارة عن تجميع لأعماله في الديناميكا الحرارية والكيمياء الفيزيائية، والذي وضع فيه مفهوم الطاقة الحرة لشرح الأساس الفيزيائي للاتزان الكيميائي. ^{[ 97 ]} في هذه المقالات، بدأت نظريات جيبس ​​حول أطوار المادة: فقد اعتبر كل حالة من حالات المادة طورًا، وكل مادة مُكوِّنًا. أخذ جيبس ​​جميع المتغيرات التي تدخل في التفاعل الكيميائي - درجة الحرارة والضغط والطاقة والحجم والإنتروبيا - وأدرجها في معادلة بسيطة واحدة تُعرف باسم قاعدة أطوار جيبس .

ربما كان أبرز إسهاماته في هذه الورقة البحثية هو تقديمه لمفهوم الطاقة الحرة، الذي يُعرف الآن عالميًا باسم طاقة جيبس ​​الحرة تكريمًا له. تربط طاقة جيبس ​​الحرة ميل النظام الفيزيائي أو الكيميائي إلى خفض طاقته وزيادة اضطرابه، أو إنتروبيته ، في آنٍ واحد، ضمن عملية طبيعية تلقائية. يُمكّن منهج جيبس ​​الباحث من حساب التغير في الطاقة الحرة خلال العملية، كما هو الحال في التفاعل الكيميائي، وسرعة حدوثه. ولأن جميع العمليات الكيميائية تقريبًا، والعديد من العمليات الفيزيائية، تنطوي على مثل هذه التغيرات، فقد أثر عمله بشكل كبير على الجوانب النظرية والتجريبية لهذه العلوم. في عام 1877، وضع لودفيج بولتزمان اشتقاقات إحصائية للعديد من المفاهيم الفيزيائية والكيميائية الهامة، بما في ذلك الإنتروبيا ، وتوزيعات سرعات الجزيئات في الحالة الغازية. ^{[ 98 ]} بالتعاون مع بولتزمان وجيمس كلارك ماكسويل ، أسس جيبس ​​فرعًا جديدًا من الفيزياء النظرية يُعرف بالميكانيكا الإحصائية (وهو مصطلح صاغه بنفسه)، موضحًا قوانين الديناميكا الحرارية كنتائج للخصائص الإحصائية لمجموعات كبيرة من الجسيمات. كما عمل جيبس ​​على تطبيق معادلات ماكسويل على مسائل في البصريات الفيزيائية. وقد عُرض اشتقاق جيبس ​​لقوانين الديناميكا الحرارية الظاهرية من الخصائص الإحصائية للأنظمة ذات الجسيمات الكثيرة في كتابه الدراسي المؤثر للغاية " المبادئ الأولية في الميكانيكا الإحصائية" ، الذي نُشر عام 1902، قبل وفاته بعام. في ذلك العمل، استعرض جيبس ​​العلاقة بين قوانين الديناميكا الحرارية والنظرية الإحصائية للحركات الجزيئية. ويُعرف تجاوز الدالة الأصلية بواسطة المجاميع الجزئية لمتسلسلات فورييه عند نقاط الانقطاع بظاهرة جيبس .

كان أوتو هان كيميائيًا ألمانيًا ورائدًا في مجالي النشاط الإشعاعي والكيمياء الإشعاعية . لعب دورًا محوريًا في اكتشاف الانشطار النووي ، وأرسى أسس الكيمياء النووية كمجال علمي مستقل. اكتشف هان، بالتعاون مع ليز مايتنر وفريتز ستراسمان ، النظائر المشعة للراديوم والثوريوم والبروتاكتينيوم واليورانيوم . كما اكتشف ظاهرة الارتداد الذري والتصاوغ النووي ، وكان رائدًا في استخدام تقنية التأريخ بالروبيديوم-سترونتيوم . في عام 1938، اكتشف هان ومايتنر وستراسمان الانشطار النووي . وفي منشورهم الثاني حول الانشطار النووي في فبراير 1939، تنبأ هان وستراسمان بوجود وانطلاق نيوترونات إضافية أثناء عملية الانشطار، مما فتح الباب أمام إمكانية حدوث تفاعل نووي متسلسل . حصل هان على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1944 تقديرًا لاكتشافاته. شكل الانشطار النووي أساسًا للمفاعلات النووية والأسلحة النووية .

في عام 1913، قدّم الفيزيائي الدنماركي نيلز بور مفاهيم ميكانيكا الكم إلى بنية الذرة، مقترحًا ما يُعرف الآن بنموذج بور للذرة، حيث توجد الإلكترونات في مدارات دائرية محددة بدقة حول النواة، تشبه درجات السلم. يُعدّ نموذج بور نموذجًا كوكبيًا تدور فيه الإلكترونات سالبة الشحنة حول نواة صغيرة موجبة الشحنة، على غرار الكواكب التي تدور حول الشمس (باستثناء أن مداراتها ليست مستوية). وتُشابه قوة جاذبية النظام الشمسي رياضيًا قوة كولوم (الكهربائية) الجاذبة بين النواة موجبة الشحنة والإلكترونات سالبة الشحنة.

في نموذج بور، تدور الإلكترونات حول النواة في مدارات ذات حجم وطاقة محددين - تُسمى مستويات الطاقة فيها مُكمّمة ، ما يعني أن مدارات معينة ذات أنصاف أقطار محددة فقط هي المسموحة؛ أما المدارات الواقعة بينها فلا وجود لها. ترتبط طاقة المدار بحجمه، أي أن أدنى طاقة توجد في أصغر مدار. افترض بور ​​أيضًا أن الإشعاع الكهرومغناطيسي يُمتص أو يُشع عندما ينتقل الإلكترون من مدار إلى آخر. ولأن مدارات إلكترونية محددة فقط هي المسموحة، فإن انبعاث الضوء المصاحب لانتقال الإلكترون من حالة طاقة مثارة إلى الحالة الأرضية يُنتج طيف انبعاث فريدًا لكل عنصر. وقد نال بور لاحقًا جائزة نوبل في الفيزياء تقديرًا لهذا العمل.

عمل نيلز بور أيضًا على مبدأ التكامل ، الذي ينص على إمكانية تفسير الإلكترون بطريقتين صحيحتين ومتنافيتين. يمكن تفسير الإلكترونات كنموذج موجي أو جسيمي. افترض بور ​​أن جسيمًا واردًا سيصطدم بالنواة ويُكوّن نواة مركبة مثارة. شكّل هذا أساس نموذج القطرة السائلة ، ووفر لاحقًا أساسًا نظريًا للانشطار النووي بعد اكتشافه من قِبل الكيميائيين أوتو هان وفريتز ستراسمان ، وشرحه وتسميته من قِبل الفيزيائيين ليز مايتنر وأوتو فريش .

في عام 1913، قدّم هنري موزلي ، انطلاقًا من فكرة فان دن بروك السابقة، مفهوم العدد الذري لمعالجة بعض أوجه القصور في الجدول الدوري لمندليف، الذي كان قائمًا على الوزن الذري. وبلغت مسيرة فريدريك سودي ذروتها في الكيمياء الإشعاعية عام 1913 بصياغته لمفهوم النظائر ، الذي ينص على أن بعض العناصر توجد في صورتين أو أكثر لها أوزان ذرية مختلفة، لكنها لا يمكن تمييزها كيميائيًا. ويُذكر له إثباته وجود نظائر لبعض العناصر المشعة، كما يُنسب إليه، مع آخرين، اكتشاف عنصر البروتاكتينيوم عام 1917. وفي عام 1913، وسّع جيه جيه طومسون نطاق عمل فين، مُبينًا إمكانية فصل الجسيمات دون الذرية المشحونة بنسبة كتلتها إلى شحنتها، وهي تقنية تُعرف باسم مطيافية الكتلة .

وضع الكيميائي الفيزيائي الأمريكي جيلبرت ن. لويس أسس نظرية الرابطة التكافؤية ؛ إذ كان له دورٌ محوري في تطوير نظرية للترابط تعتمد على عدد الإلكترونات في غلاف التكافؤ الخارجي للذرة. في عام ١٩٠٢، وبينما كان لويس يحاول شرح التكافؤ لطلابه، صوّر الذرات على أنها تتكون من سلسلة متحدة المركز من المكعبات، مع وجود إلكترونات في كل زاوية. وقد فسّر هذا النموذج، المسمى "الذرة المكعبة"، المجموعات الثماني في الجدول الدوري، ومثّل فكرته القائلة بأن الروابط الكيميائية تتشكل عن طريق انتقال الإلكترونات، مما يمنح كل ذرة مجموعة كاملة من ثمانية إلكترونات خارجية (ثمانية إلكترونات).

استمرت نظرية لويس للرابطة الكيميائية في التطور، وفي عام ١٩١٦، نشر مقالته الرائدة "ذرة الجزيء"، التي اقترح فيها أن الرابطة الكيميائية هي زوج من الإلكترونات تتشاركه ذرتان. وقد ساوى نموذج لويس بين الرابطة الكيميائية التقليدية ومشاركة زوج من الإلكترونات بين الذرتين المرتبطتين. وقدّم لويس في هذه الورقة "مخططات النقاط الإلكترونية" لترمز إلى البنية الإلكترونية للذرات والجزيئات. وتُعرف هذه المخططات الآن باسم " تراكيب لويس" ، وتُناقش في جميع كتب الكيمياء التمهيدية تقريبًا.

بعد فترة وجيزة من نشر بحثه عام 1916، انخرط لويس في الأبحاث العسكرية. ولم يعد إلى موضوع الروابط الكيميائية إلا عام 1923، حين لخص نموذجه ببراعة في دراسة موجزة بعنوان "التكافؤ وبنية الذرات والجزيئات". وقد حفزت أنشطة الكيميائي الأمريكي والباحث في شركة جنرال إلكتريك، إيرفينغ لانغمير ، اهتمامه المتجدد بهذا الموضوع، حيث قام بين عامي 1919 و1921 بنشر نموذج لويس وتطويره. وقد أدخل لانغمير لاحقًا مصطلح " الرابطة التساهمية ". وفي عام 1921، وضع أوتو شتيرن ووالتر غيرلاخ مفهوم اللف المغزلي الكمومي في الجسيمات دون الذرية.

في الحالات التي لا تتضمن مشاركة الإلكترونات، وضع لويس عام 1923 نظرية أزواج الإلكترونات للأحماض والقواعد : أعاد لويس تعريف الحمض بأنه أي ذرة أو جزيء ذي غلاف إلكتروني غير مكتمل، وبالتالي قادر على استقبال الإلكترونات من ذرة أخرى؛ أما القواعد، فهي بالطبع مانحة للإلكترونات. تُعرف نظريته بمفهوم أحماض وقواعد لويس . في عام 1923، نشر جي إن لويس وميرل راندال كتاب "الديناميكا الحرارية والطاقة الحرة للمواد الكيميائية" ، وهو أول دراسة حديثة في الديناميكا الحرارية الكيميائية .

شهدت عشرينيات القرن العشرين انتشاراً سريعاً لنموذج لويس للرابطة الإلكترونية المزدوجة في مجالي الكيمياء العضوية والتناسقية. في الكيمياء العضوية، يعود الفضل في ذلك بشكل أساسي إلى جهود الكيميائيين البريطانيين آرثر لابوورث ، وروبرت روبنسون ، وتوماس لوري ، وكريستوفر إنجولد ؛ بينما في الكيمياء التناسقية، تم الترويج لنموذج لويس للرابطة من خلال جهود الكيميائي الأمريكي موريس هيغنز والكيميائي البريطاني نيفيل سيدجويك .

في عام ١٩٢٤، نشر الفيزيائي الفرنسي المتخصص في ميكانيكا الكم، لويس دي بروي، أطروحته التي قدم فيها نظرية ثورية لموجات الإلكترون، قائمة على ازدواجية الموجة والجسيم . في ذلك الوقت، كان يُنظر إلى تفسيرات الموجة والجسيم للضوء والمادة على أنها متعارضة، لكن دي بروي أشار إلى أن هذه الخصائص التي تبدو مختلفة هي في الواقع سلوك واحد يُلاحظ من منظورين مختلفين، أي أن الجسيمات يمكن أن تتصرف كموجات، والموجات (الإشعاع) يمكن أن تتصرف كجسيمات. قدم اقتراح بروي تفسيرًا للحركة المحدودة للإلكترونات داخل الذرة. لم تحظَ المنشورات الأولى لفكرة بروي عن "موجات المادة" باهتمام كبير من الفيزيائيين الآخرين، لكن نسخة من أطروحته للدكتوراه وصلت بالصدفة إلى أينشتاين، الذي أبدى حماسًا كبيرًا. أكد أينشتاين على أهمية عمل بروي صراحةً، وبنى عليه لاحقًا.

في عام 1925، وضع الفيزيائي النمساوي المولد فولفغانغ باولي مبدأ استبعاد باولي ، الذي ينص على أنه لا يمكن لإلكترونين حول نواة واحدة في الذرة أن يشغلا نفس الحالة الكمومية في آن واحد، كما هو موضح بأربعة أعداد كمومية . قدم باولي إسهامات جليلة في ميكانيكا الكم ونظرية الحقل الكمومي - حيث نال جائزة نوبل في الفيزياء عام 1945 لاكتشافه مبدأ استبعاد باولي - بالإضافة إلى فيزياء المواد الصلبة، وقد نجح في وضع فرضية وجود النيوترينو . وإلى جانب أعماله الأصلية، كتب مؤلفات رائعة في عدة مجالات من النظرية الفيزيائية تُعتبر من كلاسيكيات الأدب العلمي.

${\displaystyle H(t)|\psi (t)\rangle =i\hbar {\frac {d}{dt}}|\psi (t)\rangle }$

معادلة شرودنغر

في عام ١٩٢٦، وفي سن التاسعة والثلاثين، نشر الفيزيائي النظري النمساوي إرفين شرودنغر الأبحاث التي أرست أسس ميكانيكا الموجة الكمومية. وصف في تلك الأبحاث معادلته التفاضلية الجزئية، وهي المعادلة الأساسية في ميكانيكا الكم، وترتبط بميكانيكا الذرة كما ترتبط معادلات نيوتن للحركة بعلم الفلك الكوكبي. وبناءً على اقتراح لويس دي بروي عام ١٩٢٤ بأن جسيمات المادة لها طبيعة مزدوجة، وأنها في بعض الحالات تتصرف كموجات، قدم شرودنغر نظرية تصف سلوك هذا النظام بمعادلة موجية تُعرف الآن بمعادلة شرودنغر . حلول معادلة شرودنغر، على عكس حلول معادلات نيوتن، هي دوال موجية لا يمكن ربطها إلا باحتمالية وقوع أحداث فيزيائية. في ميكانيكا الكم، يُستبدل تسلسل الأحداث الذي يمكن تصوره بسهولة في مدارات الكواكب، بمفهوم الاحتمالية الأكثر تجريدًا . (هذا الجانب من نظرية الكم جعل شرودنغر والعديد من الفيزيائيين الآخرين غير سعداء للغاية، وكرس جزءًا كبيرًا من حياته اللاحقة لصياغة اعتراضات فلسفية على التفسير المقبول عمومًا للنظرية التي بذل الكثير من الجهد في إنشائها.)

كان الفيزيائي النظري الألماني فيرنر هايزنبرغ أحد أبرز مؤسسي ميكانيكا الكم. في عام 1925، اكتشف هايزنبرغ طريقة لصياغة ميكانيكا الكم باستخدام المصفوفات. ونال جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1932 تقديرًا لهذا الاكتشاف. وفي عام 1927، نشر مبدأ عدم اليقين ، الذي بنى عليه فلسفته العلمية والذي اشتهر به. استطاع هايزنبرغ أن يثبت أنه عند دراسة إلكترون في ذرة، يمكن تحديد موقعه (موضع الإلكترون) أو اتجاه حركته (سرعته)، لكن يستحيل تحديد كليهما في آن واحد. كما قدم مساهمات مهمة في نظريات ديناميكا الموائع للتدفقات المضطربة ، ونواة الذرة، والمغناطيسية الحديدية ، والأشعة الكونية ، والجسيمات دون الذرية ، وكان له دور فعال في التخطيط لأول مفاعل نووي في ألمانيا الغربية في كارلسروه ، إلى جانب مفاعل بحثي في ​​ميونيخ، في عام 1957. ويحيط جدل كبير بعمله في مجال الأبحاث الذرية خلال الحرب العالمية الثانية.

يرى البعض أن اكتشاف معادلة شرودنغر وتطبيقها على ذرة الهيدروجين عام 1926 كان بمثابة ميلاد الكيمياء الكمومية. مع ذلك، تُعتبر مقالة والتر هيتلر وفريتز لندن عام 1927 ^{[ 109 ]} بمثابة المحطة الأولى في تاريخ الكيمياء الكمومية. فهي أول تطبيق لميكانيكا الكم على جزيء الهيدروجين ثنائي الذرة ، وبالتالي على ظاهرة الرابطة الكيميائية . وفي السنوات اللاحقة، حقق إدوارد تيلر ، وروبرت إس. موليكن ، وماكس بورن ، وج. روبرت أوبنهايمر ، ولينوس باولينغ ، وإريك هوكل ، ودوغلاس هارتري ، وفلاديمير ألكساندروفيتش فوك ، على سبيل المثال لا الحصر، تقدماً كبيراً في هذا المجال.

ومع ذلك، ظلّت الشكوك قائمة بشأن القدرة العامة لميكانيكا الكم عند تطبيقها على الأنظمة الكيميائية المعقدة. وقد وصف بول ديراك الوضع في حوالي عام 1930 على النحو التالي : ^{[ 110 ]}

إن القوانين الفيزيائية الأساسية اللازمة للنظرية الرياضية لجزء كبير من الفيزياء والكيمياء برمتها معروفة تمامًا، والصعوبة تكمن فقط في أن التطبيق الدقيق لهذه القوانين يؤدي إلى معادلات بالغة التعقيد يصعب حلها. لذا، يصبح من المستحسن تطوير طرق عملية تقريبية لتطبيق ميكانيكا الكم، والتي يمكن أن تؤدي إلى تفسير الخصائص الرئيسية للأنظمة الذرية المعقدة دون الحاجة إلى حسابات معقدة.

والتر هيتلر

فريتز لندن

لذا، يُشار غالبًا إلى أساليب ميكانيكا الكم التي طُوّرت في ثلاثينيات وأربعينيات القرن العشرين باسم الفيزياء الجزيئية أو الذرية النظرية ، للتأكيد على أنها كانت تطبيقًا لميكانيكا الكم على الكيمياء والتحليل الطيفي أكثر من كونها إجابات لأسئلة ذات صلة بالكيمياء. في عام ١٩٥١، نُشرت ورقة بحثية رائدة في كيمياء الكم، وهي الورقة البحثية الأساسية لكليمنس سي جيه روثان حول معادلات روثان . ^{[ ١١١ ]} فتحت هذه الورقة الطريق لحل معادلات المجال المتسق ذاتيًا للجزيئات الصغيرة مثل الهيدروجين والنيتروجين . أُجريت هذه الحسابات باستخدام جداول التكاملات التي حُسبت على أحدث الحواسيب في ذلك الوقت.

في أربعينيات القرن العشرين، تحوّل العديد من الفيزيائيين من الفيزياء الجزيئية أو الذرية إلى الفيزياء النووية (مثل ج. روبرت أوبنهايمر وإدوارد تيلر ). كان غلين ت. سيبورغ كيميائيًا نوويًا أمريكيًا اشتهر بعمله في عزل وتحديد العناصر ما بعد اليورانيوم (العناصر الأثقل من اليورانيوم ). وقد تقاسم جائزة نوبل في الكيمياء عام 1951 مع إدوين ماتيسون ماكميلان لاكتشافاتهما المستقلة للعناصر ما بعد اليورانيوم. سُمّي عنصر سيبورغيوم تكريمًا له، مما جعله الشخص الوحيد، إلى جانب ألبرت أينشتاين ويوري أوغانيسيان ، الذي سُمّي عنصر كيميائي باسمه خلال حياته.

بحلول منتصف القرن العشرين، كان التكامل بين الفيزياء والكيمياء واسع النطاق من حيث المبدأ، حيث فُسِّرت الخصائص الكيميائية كنتيجة للبنية الإلكترونية للذرة . وقد استخدم لينوس باولينغ في كتابه " طبيعة الرابطة الكيميائية" مبادئ ميكانيكا الكم لاستنتاج زوايا الروابط في جزيئات بالغة التعقيد. ومع ذلك، فرغم أن بعض المبادئ المستنتجة من ميكانيكا الكم استطاعت التنبؤ نوعيًا ببعض الخصائص الكيميائية للجزيئات ذات الأهمية البيولوجية، إلا أنها ظلت، حتى نهاية القرن العشرين، أقرب إلى مجموعة من القواعد والملاحظات والوصفات منها إلى أساليب كمية دقيقة من المبادئ الأولى .

انتصر هذا النهج الاستدلالي في عام 1953 عندما استنتج جيمس واتسون وفرانسيس كريك البنية الحلزونية المزدوجة للحمض النووي من خلال بناء نماذج مقيدة ومستندة إلى معرفة التركيب الكيميائي للأجزاء المكونة وأنماط حيود الأشعة السينية التي حصلت عليها روزاليند فرانكلين . ^{[ 112 ]} أدى هذا الاكتشاف إلى طفرة في الأبحاث المتعلقة بالكيمياء الحيوية للحياة.

في العام نفسه، أثبتت تجربة ميلر-يوري أن المكونات الأساسية للبروتين ، وهي الأحماض الأمينية البسيطة ، يمكن بناؤها من جزيئات أبسط في محاكاة للعمليات البدائية على الأرض. وقد ساهمت هذه المحاولة الأولى للكيميائيين لدراسة عمليات افتراضية في المختبر في ظل ظروف مضبوطة في إطلاق بحوث غزيرة في العلوم الطبيعية حول أصول الحياة .

في عام 1983، ابتكر كاري موليس طريقةً لتضخيم الحمض النووي في المختبر، تُعرف باسم تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR)، والتي أحدثت ثورةً في العمليات الكيميائية المستخدمة في المختبر لمعالجته. وقد مكّن تفاعل البوليميراز المتسلسل من تخليق أجزاء محددة من الحمض النووي، مما أتاح إمكانية تسلسل الحمض النووي للكائنات الحية، وهو ما تُوّج بمشروع الجينوم البشري .

تم حل جزء مهم من لغز الحلزون المزدوج بواسطة أحد طلاب بولينج، ماثيو ميسلسون وفرانك ستال ، وقد أطلق على نتيجة تعاونهما ( تجربة ميسلسون-ستال ) اسم "أجمل تجربة في علم الأحياء".

استخدموا تقنية الطرد المركزي لفرز الجزيئات وفقًا لاختلافات الوزن. ولأن ذرات النيتروجين مكون أساسي للحمض النووي، فقد تم وسمها وبالتالي تتبعها أثناء تضاعفها في البكتيريا.

في عام 1970، طوّر جون بوبل برنامج غاوسيان، مما سهّل بشكل كبير حسابات الكيمياء الحاسوبية . ^{[ 113 ]} وفي عام 1971، قدّم إيف شوفان تفسيرًا لآلية تفاعل تبادل الأوليفينات . ^{[ 114 ]} وفي عام 1975، اكتشف كارل باري شاربلس وفريقه تفاعلات الأكسدة الانتقائية الفراغية، بما في ذلك أكسدة شاربلس ، ^{[ 115 ] [ 116 ]} وثنائي هيدروكسيل شاربلس غير المتماثل ، ^{[ 117 ] [ 118 ] [ 119 ]} وأكسدة شاربلس الأمينية . ^{[ 120 ] [ 121 ] [ 122 ]} وفي عام 1985، اكتشف هارولد كروتو وروبرت كيرل وريتشارد سمولي الفوليرين ، وهي فئة من جزيئات الكربون الكبيرة التي تشبه ظاهريًا القبة الجيوديسية التي صممها المهندس المعماري ر. بوكمينستر فولر . ^{[ 123 ]} في عام 1991، استخدم سوميو إيجيما المجهر الإلكتروني لاكتشاف نوع من الفوليرين الأسطواني يُعرف باسم أنبوب الكربون النانوي ، على الرغم من أن أعمالًا سابقة أُجريت في هذا المجال منذ عام 1951. تُعد هذه المادة مكونًا هامًا في مجال تقنية النانو . ^{[ 124 ]} في عام 1994، حقق كيه سي نيكولاو مع مجموعته ^{[ 125 ] [ 126 ]} وروبرت أ. هولتون مع مجموعته، أول تخليق كامل لمادة تاكسول . ^{[ 127 ] [ 128 ] [ 129 ]} في عام 1995، أنتج إريك كورنيل وكارل ويمَن أول مكثف بوز-أينشتاين ، وهي مادة تُظهر خصائص ميكانيكية كمية على المستوى العياني. ^{[ 130 ]}

شهدت أواخر القرن التاسع عشر زيادة هائلة في استغلال النفط المستخرج من باطن الأرض لإنتاج مجموعة واسعة من المواد الكيميائية، مما أدى إلى استبدال استخدام زيت الحيتان وقطران الفحم ومواد بناء السفن التي كانت تُستخدم سابقًا. وقد وفر الإنتاج والتكرير على نطاق واسع للنفط مواد خام للوقود السائل مثل البنزين والديزل ، والمذيبات ، ومواد التشحيم ، والإسفلت ، والشموع ، ولإنتاج العديد من المواد الشائعة في العالم الحديث، مثل الألياف الصناعية ، والبلاستيك، والدهانات ، والمنظفات، والمستحضرات الصيدلانية ، والمواد اللاصقة ، والأمونيا كسماد ، ولأغراض أخرى. وقد تطلب إنتاج العديد من هذه المواد استخدام محفزات جديدة والهندسة الكيميائية لتحقيق إنتاج فعال من حيث التكلفة .

في منتصف القرن العشرين، أصبح التحكم في البنية الإلكترونية لمواد أشباه الموصلات دقيقًا بفضل إنتاج سبائك كبيرة من بلورات أحادية نقية للغاية من السيليكون والجرمانيوم . وقد ساهم التحكم الدقيق في تركيبها الكيميائي عن طريق تطعيمها بعناصر أخرى في إنتاج الترانزستور ذي الحالة الصلبة عام 1951 ، ومكّن من إنتاج دوائر متكاملة صغيرة الحجم لاستخدامها في الأجهزة الإلكترونية، وخاصة أجهزة الكمبيوتر .

مرتبة حسب التسلسل الزمني: