La combustión y el oxigeno

29/10/2008 1 comentario
Menear

En la combustión una sustancia química reacciona rápidamente con oxígeno produciendo calor y luz. Los productos típicos de una reacción de combustión son CO2, H2O, N2 y óxidos de cualquier otro elemento presente en la muestra original.

 

Un ejemplo típico de combustión es la oxidación del metano según el proceso

           

      

 

Las reacciones de combustión a menudo transcurren mediante la formación de radicales libres, moléculas o iones electrónicamente excitados que emiten  fluorescencia dando color a la llama, o también formando pequeñas partículas de sólido (ejem. carbón) cuya incandescencia puede observarse.

La combustión es un proceso muy importante en nuestras vidas pues los combustibles se usan como fuente de energía, gasolina, gas, etc., en los medios de transportes, coches, aviones o en los hogares o industrias. Aunque hoy en día el proceso de la combustión esta bien entendido este proceso ha sido uno de los grandes enigmas  desde los tiempos antiguos hasta finales del Siglo XVIII en que Lavoisier (1743 – 1794) consiguió dilucidar  su naturaleza química.

De acuerdo con el pensamiento griego todo aquello que puede arder contiene lo que denominaban el elemento fuego. Fue el químico y físico alemán Georg Ernest Stahl (1660 – 1734), quien recogiendo una idea de J. J. Becher, propuso en 1702 el nombre de flogisto (del griego phlogistos, que significa inflamable) para caracterizar el principio de inflamabilidad.

 

La teoría de la combustión de Stahl establecía que cuanto más flogisto tenía una sustancia más combustible era. Así por ejemplo, un papel arde porque contiene flogisto, sin embargo sus cenizas desprovistas de dicha sustancia  no pueden arder. En este esquema la combustión de una sustancia suponía la perdida de flogisto que se transfería al aire. Cuanto más flogisto tuviese una sustancia mejor ardía.

 

 La teoría del flogisto ganaba adeptos y hacia mediados del siglo XVIII era ampliamente aceptada por los químicos, sin embargo había una dificultad que tanto Stahl como sus discípulos no pudieron explicar. La combustión de la madera,  con la subsiguiente perdida de flogisto,   producía en cenizas de peso inferior a aquella; Sin embargo, la calcinación- hoy podríamos decir la oxidación-de los metales dando lugar a la formación de la correspondiente cal –que análogamente Stahl interpretaba como una perdida de flogisto- resultaba en un aumento de peso. ¿Había entonces dos tipos de flogisto: el de la madera y sustancias afines  cuyo peso era positivo y el de los metales cuyo peso era negativo? Como veremos más adelante fue Lavoisier –el padre de la Química Moderna- quien demostró que la teoría del flogisto no era verdadera y que el flogisto no existía.

 

El desarrollo de la química pneumática del siglo XVIII supuso una oportunidad para comprobar la validez de la teoría del flogisto al investigar los gases producidos en la combustión. Particular importancia tuvieron los experimentos de Joseph Priestley quién observó que el mercurio cuando se calienta en el aire forma un calcinado de color rojo ladrillo, hoy lo llamaríamos oxido de mercurio HgO. Priestley  calentó este calcinado concentrando sobre él los rayos del sol mediante una lente, la sustancia original producía al calentarse bolas brillantes de mercurio y un gas de propiedades especiales. El mismo comprobó  que una vela arde en dicho gas con una llama más viva con más esplendor y calor que en otros aires e incluso  probó a inhalarlo y comprobó que producía una sensación agradable. ¿Qué explicación dio Priestley a su experimento? Desgraciadamente Priestley interpretó sus experimentos de manera errónea usando la teoría del flogisto en la que creía.

 

Dado que los objetos ardían más fácilmente en este nuevo gas, estos deberían de liberar flogisto con mucha más facilidad en su seno, lo que solo podría deberse a que este aíre no tuviese cantidad alguna de flogisto mostrando por ello una gran avidez para aceptarlo. Por está razón Priestley llamó a este nuevo gas “aire desflogistado” hasta que unos años después Lavoisier le diera el nombre de oxigeno. El error de Priestley fue suponer que el aíre normal es solo un compuesto, no una mezcla, y recurrir a la teoría del flogisto para explicar su experimento.

 

Las inconsistencias en la teoría del flogisto y los numerosos descubrimientos basados en la experimentación con gases fueron correctamente  explicadas y  reunidos en una nueva visión global del fenómeno de la combustión  gracias al trabajo de Antoine Laurent Lavoisier. No cabe duda de que el éxito de Lavoisier  se debió a sus grandes dotes intelectuales pero especialmente a su habilidad y rigor experimental basado en la medida precisa de los datos experimentales.

Gracias a la aportación de Lavoisier, quedó establecido que las  medidas  tomadas rigurosa y sistemáticamente más que las impresiones oculares o de otros sentidos era el método correcto para explicar los cambios químicos. Usando este procedimiento 
 Lavoisier explicó el fenómeno de la combustión, el gran problema de la Química del Siglo XVIII.

 

Un experimento típico realizado por Lavoisier consistió en calentar metales (por ejemplo, plomo) en el aíre pero en un recipiente cerrado. Lavoisier observaba que en la superficie del metal  se iba formando una capa de calcinado hasta  que en un instante dado la formación de dicho calcinado se detenía.

 Según los defensores de la teoría del flogisto el proceso de formación del “calcinado” implicaba que el aíre había absorbido del metal la máxima cantidad de flogisto que podía retener. Como se sabía que el calcinado pesaba más que el metal original, Lavoisier pesó  el equipo experimental donde había llevado a cabo el calentamiento del metal, observando que el todo recipiente pesaba lo mismo antes y después del calentamiento.


Para Lavoisier resultaba claro que si el metal había ganado peso y el peso total no había cambiado, el aíre tendría que haber perdido una cantidad  de peso equivalente al ganado por el metal. Así, abrió el recipiente y observó que el aíre entraba en el, debido a que la perdida del aíre durante el proceso de calcinación del metal había producido un cierto vacío, una presión inferior frente a la presión atmosférica. Para Lavoisier estaba claro que la calcinación de un metal no consistía en una pérdida de su flogisto sino en la ganancia de una parte del aíre en cuyo seno se calentaba.

 

En 1974 Priestley visitó Paris e informó a Lavoisier de sus hallazgos y experimentos. Lavoisier con sus experimentos demostró que la interpretación dada por Priestley era errónea. A diferencia de Priestley quién creía  que el aíre atmosférico era una sustancia simple y elemental, para Lavoisier el aíre era una mezcla de dos gases en una proporción de 1 a 4, uno respirable que mantiene la respiración y combustión, y otro “mefítico” incapaz de mantener dichos procesos, y que no es otro que el gas nitrógeno. Para Lavoisier solo un quinto del aíre era el aíre desflogisticado de Priestley. Solo esta porción del aíre se combina con los materiales durante el proceso de combustión.

 

El experimento clave de Lavoisier, presentado en 1777 en la Academia de Ciencias de Francia, consistió en primer lugar en calentar cuidadosamente mercurio puro en aíre común y formar el mercurio calcinado –véase la figura 1- demostrando que dicho mercurio calcinado es meramente una combinación del mercurio con aproximadamente 1/12 parte de su peso de aíre. En este proceso según Lavoisier el mercurio había absorbido la parte mejor y más respirable del aíre quedando la parte mefítica o irrespirable. En segundo lugar –y esta fue una parte clave del experimento- Lavoisier recuperó el aíre 'absorbido´ por el mercurio, por calentamiento del calcinado, y lo devolvió  al residuo mefítico, obteniendo prácticamente la cantidad original del aíre usado y con las mismas propiedades del aíre común.

 

Lavoisier llamó a este aíre vivo, el “aíre desflogisticado” de Priestley, oxígeno derivado del griego, que significa productor de ácidos  ya que Lavoisier pensaba que este elemento era un compuesto necesario de todos los ácidos, lo cual se demostró posteriormente no ser cierto.
En cualquier caso y al margen de la naturaleza de los ácidos, la contribución extraordinaria de Lavoisier fue establecer inequívocamente que el principio de la combustión de una sustancia consiste en una reacción química de dicha sustancia y el oxígeno.

 

                    

 

 

Figura 1.  Esquema simplificado de uno de los experimentos de Lavoisier donde se calienta mercurio en atmósfera de aire para producir el calcinado, el oxido de mercurio. Este dibujo ha sido ligeramente adaptado del original realizado por Mme. Lavoisier y que corresponde a la Figura 2 de la lámina IV ilustrada en la Referencia  citada más  abajo, es decir en el  Tratado Elemental de Química de Lavoisier



Bibliografía

 

Antoine Laurent de Lavoisier. Tratado Elemental de Química (Ed. y traductor Ramón Gago Bohorguez). Crítica. Barcelona 2007. Véase especialmente el capítulo III de la obra.