Sobre la història del descobriment de l’oxigen i altres punts clau de la revolució química del segle XVIII

Dimecres 18 de setembre vam encetar els cafès científics de tardor, tot i que encara mancaven uns dies per canviar d’estació. En aquest darrer trimestre parlarem d’alguns elements químics per commemorar l’Any Internacional de la Taula Periòdica, que va ser declarat per l’Assemblea General de les Nacions Unides i la UNESCO.

Se celebra enguany perquè es considera que el 1869 Dmitri Mendeléiev va la primera taula periòdica dels elements, un dels èxits més significatius de la ciència, en el que es basa l’essència no només de la química, sinó també de la física i de la biologia.
Al primer cafè va venir Aureli Caamaño, catedràtic de física i química de secundària, a parlar-nos sobre lel descobriment de l’oxigen i la teoria de la combustió i la calcinació dels metalls, proposada del químic francès Antoine Lavoisier (1743-1794). Les seves descobertes i el seu mètode d’experimentació van implicar el naixement de la química com a ciència moderna. Era un moment històric fascinant. Tant, que tres científics van arribar alhora a identificar l’oxigen, essent més o menys conscients de la seva naturalesa: el químic francès Antoine de Lavoisier, el teòleg i químic britànic Joseph Priestley i el farmacèutic suec Carl Wilhelm Scheele.

L’obra de teatre “Oxigen“, escrita per Carl Djerassi i Roald Hoffmann, intenta descriure el moment i esbrinar a qui s’hauria de donar el premi Nobel, cas que es donés a persones mortes; per això proposa una trobada entre els tres savis, trobada que no es va donar. Com va anar la descoberta, doncs? Anem a pams.


El concepte d’element
Els primers en parlar d’elements com a base de tota la matèria van ser els grecs, i, segons l’autor, van considerar que eren l’aire o l’aigua. Posteriorment Aristòtil va proposar quatre elements: aire, aigua, terra i foc -a més de la quinta essència, que composava el que hi havia fora de la Terra.

Durant l’Edat Mitjana els alquimistes ja s’havien adonat que la teoria aristotèlica dels quatre elements no explicava el comportament de la matèria a la Terra; per la qual cosa al llistat n’hi van afegir una tríada: la sal, el sofre, responsable de la combustió i la lleugeresa, i el mercuri, responsable de la mal·leabilitat de la matèria.

Més endavant, Johann Joachim Becher (1635-1682) i Georg Ernst Stahl (1659-1734) van desenvolupar la teoria del flogist, que va estar vigent bona part del segle XVIII. El flogist era l’element responsable de la combustió, la calcinació de metalls (com ara l’oxidació del ferro) o la putrefacció. Segons aquesta teoria, els materials combustibles i els metalls contenen flogist, i aquest element quan té lloc la combustió o la calcinació emergeix i es dispersa per l’aire.

Ara sabem que una espelma encesa coberta per un recipient crema fins que acaba l’oxigen del lloc on és (o queda tan poc que és insuficient per a mantenir la combustió); però, la teoria del flogist donava una explicació diferent: l’espelma s’apagava perquè l’aire quedava “saturat” de flogist; és a dir, es convertia en un aire flogistitzat, que no permetia que continués la combustió.

En el cas de la combustió d’una espelma, constataven una pèrdua de pes: s’atribuïa al flogist que es perdia, estava clar. Ara bé, un metall que s’oxida guanya pes; de manera que en aquest cas, la teoria del flogist no encaixava. Tot i així es va mantenir vigent gairebé durant quasi tot el segle XVIII. Canviar de teoria costa molt si no n’hi ha una altra que reemplaci l’anterior.

En Aureli ens explica un experiment més senzill que el de la combustió d’una espelma per provar-ho. En cremar un fregall de ferro els filaments canvien de color i de textura. Sembla que el metall s’hagi convertit en una substància que pesa menys; però, en pesar-lo, es detecta que en realitat ha guanyat pes, Aquest augment de pes, Antoine Lavoisier (1743-1794) el va atribuir encertadament a la combinació del ferro amb una part de l’aire, que va anomenar oxigen.

Per visualitzar si la combustió de l’espelma comporta la desaparició de l’oxigen i, fins i tot, saber quina proporció d’oxigen desapareix és freqüent la utilització de la següent experiència.


L’experiment
Quan encenem una espelma dins un recipient, crema fins que exhaureix l’oxigen. Ara bé, si l’espelma està en un recipient amb aigua, l’aigua puja. Per què? La primera resposta és perquè la pressió dins el recipient, en desaparèixer l’oxigen, decreix en relació a la pressió atmosfèrica exterior.

Així, podríem dir que com la pressió interna és menor, “succiona” l’aigua del recipient cap a l’interior on la pressió és menor. Però si ens fixem amb detall en quin moment puja l’aigua dins el recipient, ens n’adonarem que no ho fa d’una manera regular, sinó que té lloc bàsicament quan s’apaga l’espelma. Per què?

La raó és que quan s’apaga l’espelma, baixa la temperatura dels gasos que hi ha al recipient, que es contrauen i permeten que pugi l’aigua. Per tant, la disminució de volum no és conseqüència de la desaparició de l’oxigen, sinó de la disminució de la temperatura.

Però ens hem centrat en la desaparició de l’oxigen sense tenir en compte els productes que es formen durant la reacció de combustió. Quins són?

Sabem que l’equació química de la combustió de la matèria orgànica de la que està feta l’espelma és:  matèria orgànica (ble i cera) + oxigen => diòxid de carboni i aigua.

Si ens fixem en el got dins el qual s’ha cremat l’espelma, veurem que hi ha restat un tel: ja tenim localitzat el vapor d’aigua. Però, com identificar el diòxid de carboni? Podríem fer-ho comprovant que l’aigua s’ha tornat lleugerament àcida com a conseqüència de la dissolució del diòxid de carboni que és una substància àcida.

Ens queda el dubte de la proporció de diòxid de carboni que s’haurà dissolt. Tanmateix, també ens caldria saber l’estequiometria de la reacció -el càlcul de les relacions quantitatives entre reactius i productes de la reacció- per poder predir si la combustió implica una disminució de la quantitat de gas contingut en el vas després de la reacció, i poder dir si aquest fet contribueix a la disminució de pressió que té lloc.

La idea d’element
Reflexions com aquestes entorn l’observació curosa d’un experiment són les que van permetre establir els principis de la química moderna. La idea que l’aigua és un compost que es descompon en dos elements: oxigen (generador d’òxid) i hidrogen (generador d’aigua), és deguda a Antoine de Lavoisier.

També és de Lavoisier la idea que l’aire està composat per oxigen (el que genera oxidació) i nitrogen (el que no permet la vida: azot). Lavoisier va utilitzar la llei de la conservació de la massa (“la matèria no es crea ni es destrueix, només es transforma“) en les seves argumentacions per interpretar les seves experiències.

Lavoisier es va poder dedicar a la química perquè era de casa bona i es va casar bé. Bona part dels experiments els va poder fer gràcies a la seva senyora, Marie-Anne Pierrette Pauze, que va traduir de l’anglès llibres de Joseph Priestley, Henry Cavendish i Richard Kirwan, i va ser la il·lustradora dels aparells que havien fet servir en els experiments en el famós “Tractat elemental de química“. Desafortunadament per a la incipient química, Lavoisier va morir relativament jove, als cinquanta anys, guillotinat durant l’època del el terror de la Revolució Francesa, acusat d’haver-se enriquit amb la recaptació d’impostos.

Quin va ser el paper de Priestley i Scheele?
Abans que Lavoisier, Priestley va fer experiments amb espelmes dins un receptacle, plantes i ratolins. Un ratolí moria en un recipient on cremava una espelma, ja que la combustió exhauria l’oxigen. Però podia sobreviure si hi havia una planta, ja que la fotosíntesi és la reacció inversa a la respiració. Priestley va parlar doncs d’un tipus d’aire present en l’atmosfera i permetia de respirar. Es referia a l’oxigen, però parlava d’aire desflogistitzat, no va arribar a interpretar què era l’oxigen, tingués el nom que tingués.

Priestley -abans que cremessin la seva casa per ser partidari de la Revolució Francesa i d’exiliar-se a Pennsilvania ens els primers anys dels Estats Units- assegurava que va escriure una carta Lavoisier on li explicava l’experiment, per la qual cosa el va acusar d’haver-li copiat la idea. El francès assegurava que mai no havia vist la carta del britànic. Ara bé, entre la documentació de Lavoisier que va passar al Musèe des Arts et Métiers es va trobar una carta escrita per Priestley on explicava els seus experiments. Si Lavoisier la va arribar a llegir o no, és tot un altre tema.

Quant al químic suec Carl Wilhelm Scheele (1742-1786), que treballava com Priestley amb òxid de mercuri, probablement va deduir l’existència d’un gas com l’oxigen, però no ho va arribar a publicar. De manera que la interpretació de l’existència d’un element no descrit a l’aire i la publicació dels experiments que mostraven que es tractava de l’oxigen són deguts a Lavoisier.


Dels elements a la taula periòdica
Les conclusions i els experiments de Lavoisier per estudiar les substàncies simples que no es descomponen, van ser determinants per a l’avenç de la química.

Més endavant, amb la teoria atòmica del britànic John Dalton (1766-1844) es va avançar en la comprensió de la composició de la matèria. L’italià Stanislao Cannizzaro (1826-1910) va resoldre la confusió entre àtom i molècula, reprenent la hipòtesi d’Amedeo Avogadro (1776-1856) que prenia com a unitat l’àtom d’hidrogen (de número atòmic 1).

I amb la classificació dels elements en la taula periòdica de Viktor Meier (1848-1897) i Dmitri Mendeléiev (1834-1907), que classificava els elements en files -que seguien el número atòmic creixent- i que saltava de línia cada vuit elements -en columnes amb els elements que repetien les propietats- es va obtenir una eina fonamental per a comprendre la composició de la matèria. La taula periòdica va ser una de les fites més significatives en el desenvolupament de la ciència, no només de la química.

Més informació
Strathern, Paul: El sueño de Mendeléiev. De la alquimia a la química. Editorial Siglo XXI
Román Polo, Pascual: El profeta del orden químico. Mendeléiev. Editorial Nivola
Bensaude-Vincent, Bernardette & Stengers, Isabelle: Historia de la Química, Addison-Wesley-UAM
Bertomeu Sánchez, J.R. & García Belmar, A, La revolución química. Entre la historia y la memoria. Publicacions de la Universitat de València

Sacks, Oliver: El tío Tungsteno. Recuerdos de un químico precoz. Editorial Anagrama
Levi, Primo: El sistema periódico.

Any Internacional de la Taula Periòdica a Cosir i repuntejar
Priestley y el hallazgo del oxígeno
, a REDES

Imatges: wikimedia commons o Cristina Junyent