ADIÓS A LOS 4 ELEMENTOS: Aires, agua, la combustión y Lavoisier

Lavoisier es deudor de varios ilustres predecesores entre los que se encuentra Stephen Hales (1677-1761) quien, como consecuencia de sus investigaciones sobre la nutrición de las plantas, desarrolló una técnica de recogida de gases incontaminados sobre agua –técnica que luego sería perfeccionada sustituyendo el agua por mercurio, posibilitando así la obtención de gases solubles en aquélla–.

En una primera aproximación, los trabajos de Hales sirvieron para reforzar la vieja teoría de los cuatro elementos; pronto, sin embargo, se convirtieron en la inspiración de una rama de la investigación química que recibió el nombre de Química pneumática.

Joseph Black (1728 – 1799) comenzó a estudiar las propiedades de los diferentes aires, obtenidos con el dispositivo de Hales, aislando uno de ellos –al que etiquetó con el nombre de aire fijo (nuestro CO₂) por formar parte de sustancias sólidas como el carbón o la magnesia alba (un carbonato de magnesio)– con propiedades diferentes de las del aire ordinario. La elementalidad del aire se puso en cuestión y finalmente acabó determinándose su composición.

Sobre la “pureza” del aire

Joseph Priestley (1733 – 1804) había preparado, en 1772, un óxido de nitrógeno NO, llamado entonces aire nitroso. Este gas incoloro, insoluble en agua, al mezclarse con el aire producía un gas rojo ("humos rojos") que sí es soluble en agua. Priestley encontró que si en lugar del aire corriente se utilizaba, en la mezcla anterior, aire en el que se había hecho arder una vela hasta extinguirse no se producían estos humos rojos solubles.

La razón de ello es, según sabemos ahora, que la reacción generadora de esos humos rojizos exige la presencia de oxígeno, inexistente en el aire viciado, de acuerdo con el siguiente proceso:

2NO + O₂ → 2NO₂

aire nitroso + oxígeno → humos rojizos solubles en agua

Como el producto de esta rápida reacción es soluble en agua, es evidente que si estos dos gases se mezclan sobre agua, habrá una reducción de volumen. Priestley concibió la idea de usar esta reacción como test de la bondad del aire. Encontró, tras repetidos intentos que, con aire ordinario (el mejor que conocía), la contracción máxima tenía lugar cuando un volumen de aire nitroso se mezclaba con dos volúmenes de aire común sobre agua. Bajo estas condiciones el residuo, medido unos minutos después, era sólo de 1. 8 volúmenes. Esto es, la disminución de volumen era tan grande como todo el volumen de aire nitroso añadido ¡y casi un 20% más! Con aire realmente malo, totalmente viciado, el volumen final, en cambio, sería igual al volumen del aire nitroso más el de aire común (3 volúmenes). Los valores intermedios representaban, para Priestley, grados intermedios de bondad. Era natural que tanto Priestley como Lavoisier utilizaran el test del aire nitroso a cada nuevo aire que fuera capaz de mantener la combustión.

CRONOLOGÍA DEL DESCUBRIMIENTO EFECTIVO DEL OXÍGENO Y DE LA TEORÍA DE LA COMBUSTIÓN

Febrero de 1774: el químico francés Bayeu llama la atención sobre la obtención de mercurio al ser calentado óxido de mercurio rojo en ausencia de carbón. Identifica (erróneamente) el gas emitido como aire fijo.

Agosto de 1774: Priestley prepara oxígeno calentando óxido de mercurio rojo, pero considera que el nuevo gas es gas hilarante.

Octubre de 1774: Priestley comunica a Lavoisier sus experimentos.

Marzo de 1775: Priestley descubre el oxígeno.

Pascua de 1775: Lavoisier comunica a la Academia Francesa su memoria titulada Sobre la naturaleza del principio que se combina con los metales durante la calcinación y hace aumentar su peso.

Noviembre de 1775: Priestley corrige, en imprenta, algunas interpretaciones falsas de Lavoisier sobre los experimentos.

Mayo de 1777: Lavoisier comunica a la Academia Francesa su memoria sobre la respiración de los animales; sus ideas sobre el oxígeno son, entonces, claras.

Agosto de 1778: Lavoisier publica , ya revisada, su Memoria de Pascua.

Lavoisier inicia la Memoria de Pascua en estos términos: ¿Hay distintas clases de aire? (...) ¿son los diferentes aires que la naturaleza nos ofrece, o que nosotros acertamos a producir, sustancias excepcionales o modificaciones del aire atmosférico?

Para responder a estos interrogante y caracterizar con nitidez un aire, Lavoisier decide trasladar el énfasis desde sus propiedades físicas –la elasticidad (que según se sabía por la Ley de Boyle es similar para todos ellos)– a sus propiedades químicas –el modo en que reaccionan con otras sustancias (test de la llama, test de pureza, etc.)–. Al ser este comportamiento químico distinto para cada gas, la diferenciación resultaría posible.

Decidido a apoyarse en hechos, sin tener que invocar extrañas sustancias de comportamientos contradictorios, Lavoisier se enfrenta al problema del aumento de peso en la calcinación de un metal después de haber constatado que (…) Hace una semana descubrí que el azufre gana peso al ser calentado. Y de igual modo el fósforo. Este aumento de peso es debido a una inmensa cantidad de aire. Estoy persuadido que el incremento de peso de los metales se debe a la misma causa. Su tarea será pues: (…) mostrar que el principio que se une a los metales durante la calcinación, aumentando así su peso, y formando parte de la cal, no es otro que la parte más salutífera y pura del aire; de tal modo que si este aire, después de haberse combinado con un metal, es nuevamente liberado, emerge en una condición de máxima respirabilidad resultando mucho más apropiado que el aire atmosférico como soporte de la ignición y la combustión.

A fin de eliminar todo tipo de interferencias, Lavoisier se centra en cales que puedan reducirse sin hacer uso de carbón o sustancias carbonadas, es decir, aquellas en las que son posibles las reacciones siguientes:

2Hg + O₂ → 2HgO

Metal + Oxígeno → Cal

2HgO → 2Hg + O₂

Cal → Metal + Oxígeno

en lugar de la más habitual reducción de las cales por carbón:

2HgO + C → 2Hg + CO₂

Lavoisier proseguirá su memoria en estos términos (...) Restaba sólo examinar esta cal, reducirla sin adición alguna para ver si queda libre algún fluido elástico y determinar la naturaleza de éste.

Es decir, llevar a cabo la reacción antes indicada:

2HgO → 2Hg + O₂

Realizado el experimento, el análisis del aire emitido arroja, entre otros, el siguiente resultado: (...) no tiene ninguna de las propiedades del aire fijo; lejos de causar la muerte de los animales parece, por el contrario, más capacitado para soportar la respiración , no sólo no se extinguieron las velas y otros objetos que ardían sino que las llamas se avivaron de modo notorio emitiendo más luz que en aire corriente (...). Todas estas circunstancias me convencieron de que este aire, lejos de ser aire fijo, estaba en un estado mas respirable y combustible, y que en consecuencia era más puro aún que el aire en el que vivimos (...).

Parece probado, pues, que el principio que se combina con los metales en la calcinación, y les hace aumentar de peso, no es otra cosa que la parte más pura del aire que nos rodea y que respiramos. En este proceso pasa de una condición elástica (gaseosa) a otra de solidez; si luego es obtenido como aire fijo en todas las reducciones metálicas en las que se utiliza carbón ello se debe a la combinación de éste último con la parte más pura del aire. Es muy probable que todas las cales metálicas, al igual que la del mercurio, darían sólo aire respirable si pudieran ser reducidas sin adición alguna. Este componente del aire atmosférico –ya descubierto por Priestley– recibió entonces el nombre de oxígeno en sustitución del viejo apelativo de aire deflogisticado.

Tanto en esta investigación como en otras muchas, a las que el químico francés prestó atención, el uso de la balanza resultó fundamental pues, no en vano, todo su trabajo estuvo presidido por la idea de que: (…) uno puede afirmar que en toda reacción hay siempre idénticas cantidades de materia antes y después de la reacción. Se aceptaría desde entonces la Ley de conservación de la masa en las reacciones químicas.

La quiebra paulatina de la teoría de los cuatro elementos tendría su máxima escenificación cuando diversos científicos como Watt, Cavendish, Monge o el mismo Lavoisier, determinen la composición del agua, concluyendo que ésta no es otra cosa que aire deflogisticado unido a aire flogisticado.

No es extraño que el anuncio de este hecho fuera inicialmente acogido con escepticismos -¡el agua un compuesto de dos vapores!- y que se produjeran reacciones de rechazo como la que ejemplifica la siguiente declaración: (...) Este supermago trata de presionar nuestra credibilidad a fin de persuadirnos de que el agua, el más poderoso de los antiflogísticos naturales que poseemos, es un compuesto de dos gases, uno de los cuales supera a todas las demás sustancias en inflamabilidad. ¡Pruebas, pruebas!, pedía la comunidad científica.

Y eso es lo que Cavendish aportó: (...) Había introducido en un cilindro de vidrio, dispuesto de tal modo que su contenido pudiera ser puesto en ignición sin necesidad de abrir el recipiente, 423 medidas de gas hidrógeno y 1000 partes de aire corriente. Cuando se produjo la ignición, todo el hidrógeno y aproximadamente 1/5 del aire común perdieron su elasticidad y se condensaron en forma de rocío que cubría la parte interior del vidrio. Este residuo sometido a análisis resultó ser agua y el gas remanente nitrógeno - incoloro y mefítico -.

La noción de elemento había sufrido una mutación esencial y en la nueva concepción no era otra cosa que una sustancia que no admitía más análisis y que, a diferencia de los elementos aristotélicos, se conocía no por sus propiedades físicas sino por su comportamiento químico. De los cuatro elementos griegos sólo el fuego seguía siendo un enigma; Lavoisier lo rebautizó con el nombre de calórico y lo incluyó en su listado de sustancias simples, consciente, sin embargo, de su naturaleza anómala por su falta de materialidad (peso) y por su capacidad para traspasar las paredes de los recipientes.

El programa de racionalización de la Química se completaría con el desarrollo de un nuevo sistema de nomenclatura cuya importancia era reconocida así: (…) un lenguaje bien compuesto, adaptado al orden natural y sucesivo de las ideas traerá consigo una revolución necesaria e inmediata en el método de enseñanza y no permitirá que los profesores de química se desvíen del curso de la naturaleza; tendrán que rechazar la nomenclatura o seguir irresistiblemente el curso marcado por la misma.

Este nuevo lenguaje, junto a su teoría sobre el oxígeno constituye, el contenido esencial de su obra máxima, el Tratado elemental de Química publicado en 1789. La química quedaba purgada de sus últimas asociaciones con la alquimia y de ella fueron desapareciendo las esencias y los influjos para quedar reemplazados por una estricta contabilidad cuantitativa de las sustancias químicas y sus diversas combinaciones.

La Química se incorporaba así a esa corriente de matematización y lógica deductiva en la que ya se encontraba instalada la Física.