Del «flogisto» al oxígeno

Coja un periódico y después de leerlo quémelo. Obtendrá un montón de cenizas y una sutil humareda. Hasta hace relativamente bien poco, los seres humanos no entendían el fenómeno de la combustión y no comprendían por qué algunas cosas ardían y otras no y uno de los grandes retos de la física y la química en los albores del siglo XVIII era determinar qué ocurría exactamente cuando algo se quemaba.

Georg Stahl

El primero que elaboró la que puede ser considerada como la primera gran teoría de la química moderna fue un yatroquímico (científico que enlaza conocimientos médicos y químicos) reconocido como el primer médico del rey Federico Guillermo I de Prusia llamado Georg Ernst Stahl (Ansbach, 1660 – Berlín, 1734) que ejerció como profesor de medicina en Jena y enseñó posteriormente medicina y química en la Universidad de Halle (1693-1716). Stahl no era un científico metódico sino alguien que tan solo seguía de forma cuantitativa los fenómenos que estudiaba, e que intentaba dar respuestas simples a las interrogantes que lo inquietaba

En su obra latina Ensayo becheriano (1702), adoptó una posición clara en favor de la teoría desarrollada por su maestro Johann Joachim Becher, sobre la combustión, que había propuesto en su obra Física subterránea (1669). Su idea era la de que existía un elemento combustible, llamado»terra pinguis» que estaba contenido dentro de la materia. Para Betcher toda la materia (excepto los metales) estaba compuesta por tres “tierras”: una base, otra sulfurosa y otra tercera de mercurio. Esta composición se basaba en las ideas aristotélicas que afirmaban que la combustión activaba el fuego contenido dentro del azufre o tierra sulfurosa en las sustancias orgánicas como la madera.

Basado en estos principios, Stahl se centró en desentrañar los misterios que acompañaban a la combustión de los cuerpos orgánicos y empezó a experimentar incinerando materiales como el azufre y el carbón integrando los métodos empleados por alquimistas como Becher y sus tras sus observaciones dio a conocer su famosa teoría del flogisto.

Combustión de carbón, que sirvió como base para la teoría del flogisto (Imagen de Alexas_Fotos en http://www.pixabay.com)

La palabra «flogisto» deriva del griego “phlos”, que significa “llama”, por lo que “phlo-giston” quiere decir “lo que va en la llama”. Stahl estaba convencido de que algo se “perdía” o se “iba” del material en la combustión y llegó a la conclusión de que todos los cuerpos combustibles de la naturaleza albergaban una sustancia a la que él llamó «flogisto». La misma al entrar en contacto con el fuego se prendía y se liberaba en forma de gases. En el ejemplo con que iniciábamos este artículo una vez quemado nuestro periódico sus cenizas habrían perdido su «flogisto» y por eso ya no podían volver a arder.

Realmente nadie se preocupó de probar esta teoría en un principio y el flogisto se consolidó como una teoría científica, que explicaba el proceso de combustión y se considera como la primera gran teoría de la química moderna. Su desarrollo era bien simple: todo lo que podía quemarse contenían flogisto, una metateoría que tenía como precedente las ideas aristotélica de que la materia estaba compuesta por cuatro elementos: fuego, aire, agua y tierra.

Esta teoría tan simplista basada en algunos principios alquímicos fue universalmente aceptada y los científicos de la época definían al «flogisto» como una “entidad indestructible” que podía ser reincorporada a los materiales atrapándose de alguna forma; por ejemplo, al quemar una vela, la misma transfería su flogisto al aire que la rodeaba y cuando este aire se saturaba de ese componente la llama se apagaba. Nadie pensó en que esta teoría llevaba a conclusiones tan absurdas como que cuando los metales se calentaban al aire, el producto resultante pesaba más que el metal original. Era como si el metal hubiera perdido el componente de flogisto y está inconsistencia hizo que algunos flogistonistas sugiriesen que el flogisto podía tener un peso negativo,

Pero ¿qué tiene que ver el oxígeno con la teoría del flogisto? Pues que la razón de que hoy nos parezca estúpida esta teoría (aunque en su tiempo fue generalmente aceptada) es que sabemos que la combustión es un proceso de oxidación que ocurre precisamente gracias a la presencia del oxígeno y el descubrimiento del oxígeno es en realidad un trabajo en común entre varios de los químicos más importantes de la Historia.

Pero antes vamos a hablar del aire. Hoy en día, los científicos han identificado 92 elementos naturales en el mismo siendo el nitrógeno y el oxígeno los dos ingredientes principales del aire que respiramos ya que componen el 78% y el 21% de nuestra atmósfera. Sin embargo, hasta 1650, no se sabía bien lo que era el aire ni se conocían los gases. El primero que introdujo la noción de gas, fue el sabio holandés Jan Baptist Van Helmont (1577-1644) y en el siglo XVII, los químicos ingleses Robert Hooke (1635-1703) y John Mayow (1640-1679), constataron que la presencia del aire era indispensable para la combustión (el fuego) pensando que el aire debía de contener alguna sustancia misteriosa que permitiese la combustión.

Fue a mediados del siglo XVIII, cuando los investigadores empezaron a descubrir diferentes formas de transformar el aire en sustancias diferentes y a esas transformaciones ellos las denominaban «aires«. Los primeros químicos habían aprendido que podían cambiar la naturaleza del aire calentando o quemando compuestos dentro de él y en aquel periodo todos los científicos estaban fascinados por el proceso de la combustión y el papel que jugaba el aire en este proceso. Los químicos ingleses fueron especialmente prolíficos en las investigaciones sobre el aire y Joseph Black estudió las propiedades del dióxido de carbono, CO2 en uno de sus experimentos que consistió en encerrar un ratón con una vela encendida, dentro de un recipiente con CO2. Dado que la vela se apagó y el ratón murió, llegó a la conclusión de que allí había un gas irrespirable que en 1754 lo denominaron como «aire fijo«.

En 1722, a Daniel Rutherford en su época de estudiante se le pidió que investigara por qué una vela no prendía cuando había dióxido de carbono y en su investigación, puso una rata en una botella cerrada hasta que se murió; después encendió una vela en la botella hasta que esta dejó de arder y para acabar, quemó fosforo en la misma hasta que también dejo de arder. Tras todos estos pasos, cogió el aire que quedaba en la botella y lo pasó por una solución que absorbía el dióxido de carbono. ¿Qué había pasado? Pues que a lo largo de todo este proceso Rutherford había removido todo el oxígeno y el dióxido de carbono del aire. Identificando un gas que había quedado como «flogistizado» o «noxioso«, dado que nada podría vivir allí o quemarse allí. Lo que Rutherford había conseguido eta aislar el nitrógeno, aunque él no lo sabía

En 1766, otro aristócrata excéntrico llamado Henry Cavendish sintetizó una sustancia gaseosa altamente inflamable, a la que llamó «aire inflamable», descubriendo eI más ligero de los gases que Lavoisier bautizaría más adelante como hidrógeno, del griego «hacedor de agua».

Faltaba la respuesta a la pregunta que llevaban haciéndose los científicos desde hacía siglos: ¿por qué se queman las cosas.Y con esta sucesión de experimentos sobre los distintos tipos “de aires” surgió el auténtico descubridor del oxígeno que fue un químico sueco llamado Carl Wilhelm Scheele (9 de diciembre de 1742, Stralsund – 21 de mayo de 1786, Köping). Lo aisló entre 1771 y 1772 calentando distintas sustancias que lo dejaban en libertad con facilidad, entre ellas el óxido de mercurio. Scheele llamó a este gas como si fuese otro tipo de aire y lo denominó «aire de fuego», porque era el único apoyo conocido para la combustión.

Carl Wilhelm Scheele

Scheele no tenia ni idea de que había descubierto el oxígeno en su «aire de fuego», porque que él pensaba que- al igual que el flogisto– el mismo debería ser un componente más del calor y de la luz y aunque nunca supo que había obtenido oxígeno, si que lo hizo a partir de diversos óxidos y de forma independiente. Sin embargo su único libro Chemische Abhandlung von der Luft und der Feuer (Tratado químico del aire y del fuego), en el que describía ese nuevo elemento no fue publicado hasta 1777, pese a haber sido enviado a su editor en 1775. Este error histórico hizo que el mérito del descubrimiento del oxígeno se le asignase a otra persona: un científico inglés llamado Joseph Priestley

Grabado de Joseph Priestley por Charles Turner, inspirado en un cuadro de Henry Fuseli. Biblioteca Universidad de Pensilvania

Joseph Priestley fue un investigador tremendamente productivo, que inventó cosas tan curiosas como el agua carbonatada (la gaseosa) y la goma de borrar. También identificó una docena de compuestos químicos y conoció a muchos científicos, filósofos y librepensadores, como Benjamin Franklin (que acaba de llegar de América y que se convertiría en uno de sus mejores amigos) Él fue quien lo animó a desarrollar sus experimentos científicos publicando un libro llamado «Historia y presente de la electricidad» y por ese trabajo la Royal Society lo aceptó como miembro en 1766.

Pero era un hombre conflictivo y sus escritos sobre religión, bastante poco ortodoxos, y su apoyo a las revoluciones en Francia y Estados Unidos, enfadaron tanto a sus compatriotas ingleses que tuvo que dejar su país natal en 1794 y asentarse en Pennsylvania (EE. UU), donde continuó investigando hasta su muerte.

Priestley analizó, de forma muy sistemática, las propiedades de los distintos tipos de «aires» usando su aparato favorito: un contenedor invertido que, situado sobre una plataforma elevada, podía atrapar todos los gases producidos por sus experimentos. El recipiente, además, podía sellarse sumergiéndolo en un barreño con agua o con mercurio, para después poder estudiar si el gas podía mantener viva una llama o dejaba respirar a un animal.

Aparato de Priestley

Tras llevar a cabo estos experimentos, Priestley hizo una observación importantísima. Si acercaba una llama a una jarra con «aire asfixiante» (ese que ahogaba a los ratones) la misma se apagaba. Si ponía una planta dentro del mismo recipiente y lo acercaba a la luz, esto «refrescaba» el aire, y permitía respirar a un ratón, manteniendo vivas las llamas. Priestley escribió: «quizás la herida creada por el gran número de animales es, en parte al menos, reparada por las plantas«. Había descubierto sin saberlo el proceso que hoy conocemos como fotosíntesis en el que las plantas liberan oxígeno a la atmósfera,.

El día 1 de agosto de 1774, Priestley llevó a cabo su experimento más famoso. Llevaba tiempo dedicado al estudio de la quema de metales y en concreto indagaba qué ocurría cuando se extrae aire del mercurio calcinado. Utilizaba una lupa para reunir los rayos de sol sobre la superficie de una barra de mercurio hasta que el material empezaba a arder y emitir gases. Por accidente, introdujo una vela en el recipiente que usaba para quemar el mercurio y observó que aquella llama se avivaba. Estaba claro que el gas emitido en su experimento era un buen combustible pero ¿de qué se trataba? Para comprobarlo expuso a un ratón en un bote en el que había inyectado aquellos gases de la combustión. Pensó que el animal no sobreviviría más de 15 minutos, el tiempo que tardaría el aire del recipiente en ser respirado, pero el ratón vivió mucho más tiempo allí dentro porque los gases que había inyectado eran respirables. Aquel gas era «cinco o seis veces tan bueno como el aire común«-describió- y llamas ardían de forma mucho más viva, aparte de que un ratón podía vivir allí casi cuatro veces más tiempo que si se le encerraba en una campana con una cantidad equivalente de aire.

Como Priestley seguía la caduca teoría del flogisto pensó que si su aire aceleraba tanto la combustión sería poque no contenía flogisto, y podía absorberlo en grandes cantidades durante el proceso. Él pensaba que su «aire puro» mejoraba la respiración y hacía que las velas ardiesen por más tiempo porque estaba libre de flogisto. Por esta razón llamó a su descubrimiento «aire desflogisticado«. Maravillado escribió “ los efectos de este gas, son extraordinarios. La sensación en mis pulmones no es muy diferente a respirar aire común, pero sí podía sentirme más ligero y mucho más cómodo y relajado durante un tiempo. Quizás dentro de un tiempo este aire tan puro se convierta en un artículo de moda, en un bien de lujo. De momento, no obstante, sólo dos ratoncitos y yo hemos tenido el privilegio de respirarlo«.

Priestley publicó sus hallazgos en 1775 en un artículo titulado «An Account of Further Discoveries in Air» («Informe de más descubrimientos en el aire»), que incluyó en el segundo volumen de su libro titulado Experiments and Observations on Different Kinds of Air (Experimentos y observaciones sobre las diferentes especies de aire). Sin embargo, sus prejuicios flogísticos no le permitieron ver claro el fenómeno de la combustión y- para él- el nitrógeno continuó siendo “aire flogistizado” y el oxígenoaire desflogistizado”. Debido a que Priestley publicó sus hallazgos antes que Scheele, suele ser considerado, de forma errónea, el autor del descubrimiento del oxígeno aunque si que fue el primero en reconocer la importancia del mismo en los seres vivos.

Sin embargo, para un científico metódico que utilizara estrategias de medición más profundas y no solo las de la observación, era fácil encontrar las fallas en la teoría del flogisto . Este científico fue el francés Laurent de Lavoisier (París, 26 de agosto de 1743 – ibídem, 8 de mayo de 1794) un químico francés al que se considera el padre de la química moderna. Con él pudo conocerse la exacta teoría de la oxidación.

Lavoisier condujo los primeros experimentos cuantitativos adecuados sobre la oxidación y dio la primera explicación correcta acerca del funcionamiento de la combustión. Usó estos y otros experimentos similares que comenzaron en 1774 para desacreditar la teoría del flogisto y para demostrar que la sustancia descubierta por Priestley y Scheele era un elemento químico.

Para ello repitió en París el experimento de Priestley con mercurio y otros metales llegando a la conclusión de que el aire común no era una sustancia simple. En lugar de eso argumentó que debía de haber dos componentes: uno que se combinaba con el metal y apoyaba la respiración, y otro que no apoyaba ni la combustión ni la respiración. En 1777, Lavoisier ya estaba listo para proponer una nueva teoría de la combustión que excluía el flogisto. La combustión, dijo, era la reacción de un metal o una sustancia orgánica con esa parte del aire común que denominó «eminentemente respirable«. Dos años después, anunció a la Real Academia de Ciencias de París que había descubierto que la mayoría de los ácidos contenían este aire respirable al que llamó oxígeno, combinando las raíces griegas ὀξύς (oxys) («ácido», literalmente «punzante», en referencia al sabor de los ácidos) y γόνος (-gonos) («productor», literalmente «engendrador»; es decir, «productor de ácidos» ) porque en la época en que se le dio esta denominación se creía, incorrectamente, que todos los ácidos requerían oxígeno para su composición

Lavoisier repitió los experimentos de Priestley y ante los resultados no tuvo duda de que el aire descubierto no era aire deflogisticado, sino el “principio activo” de la atmósfera. Con una serie de experimentos demostró que este aire se encontraba en el aire común en una proporción del 20%, y demostró que era el culpable de la combustión, la oxidación y la respiración y reclamó posteriormente haber descubierto aquel “aire desflogistizado”de Priestley de forma independiente. No obstante, se sabe que, en agosto de 1774, ambos se reunieron en París y que Priestley le comunicó el método con el cual había logrado unos meses antes preparar su “aire deflogistizado” (es decir, oxígeno). Carl Wilhelm Scheele también escribió otra carta a Lavoisier el 30 de septiembre de ese mismo año, en la que describía su propio descubrimiento de la sustancia antes desconocida, aunque el francés nunca accedió a recibirla. y fue después de la muerte de Scheele cuando se encontró una copia de aquella carta entre sus pertenencias.

Lavoisier con sus discípulos, de un bajorrelieve de Louis Barrias.Museo de Bellas Artes de Grenoble

Es decir que los experimentos de Lavoisier no eran originales ni tampoco su pretensión de ser él el descubridor del oxígeno pero su gran labor fue la de comenzar un ataque a gran escala contra el flogisto en 1783, afirmando que «el flogisto de Stahl es imaginario» y denominando a aquel flogisto como «un verdadero Proteo, que cambia de forma a cada instante« (en referencia al dios griego Proteo del mar capaz de cambiar de forma a voluntad). Lavoisier afirmó que era hora de «reconducir la química a una forma más estricta de pensar» y «distinguir lo que es hecho y observación de lo que es sistema e hipótesis» y como punto de partida, ofreció su teoría de la combustión, en la que el oxígeno juega un papel central.

Así fue como el mundo de la química cambió definitivamente cuando se desterraron las teorías absurdas del flogisto y el oxígeno, él elemento básico de nuestra existencia se descubrió.

Fuentes:

  1. Kamlah, A. (1984). A logical investigation of the Phlogiston case. In Reduction in science (pp. 217-238). Springer, Dordrecht.
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  5. Vihalemm, R. (2000). The Kuhn-loss thesis and the case of phlogiston theory. Science & Technology Studies.
  6. Woodcock, L. V. (2005). Phlogiston theory and chemical revolutions. Bulletin for the History of Chemistry, 30(2), 57-62.
  7. Programa de Lugares Emblemáticos Internacionales de la Historia de la Química de la ACS. Descubrimiento del oxígeno por Joseph Priestley. http://www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/historia-quimica/joseph-priestley-descubrimiento-oxigeno.html (accedido el 17de Abril de 2022).