Aperçu
Au début du XVIIIe siècle, la théorie du feu de Phlogiston dominait. Cependant, à la fin du XVIIIe siècle, la théorie de Phlogiston a été renversée par le nouveau concept de la combustion de l’oxygène. Le renversement de la théorie du feu de Phlogiston est souvent présenté comme un exemple éclatant du triomphe de la bonne science sur la mauvaise, mais la saga est faite de nombreux faux départs, de fausses expériences et de fausses hypothèses. Les personnalités, les influences sociales et culturelles, et le nouvel accent mis sur l’analyse expérimentale et les causes naturelles se sont combinés pour remettre en question et remplacer la théorie de Phlogiston.
Contexte
Les philosophes grecs considéraient le feu comme l’un des éléments fondamentaux de la nature, offrant un certain nombre d’interprétations différentes. Héraclite d’Éphèse (environ 535-475 av. J.-C.) faisait du feu la force universelle de la création. Aristote (384-322 av. J.-C.) a fait du feu l’un des grands principes de toutes choses. Platon (427-347 av. J.-C.), le professeur d’Aristote, a suggéré que les objets brûlables contenaient en eux un principe inflammable, une substance qui les faisait brûler, mais ce sont les idées d’Aristote qui ont dominé la pensée européenne médiévale.
Le feu d’Aristote faisait partie d’un système à quatre éléments comprenant l’air, la terre, le feu et l’eau. Une substance telle que le bois était constituée d’une combinaison de ces quatre éléments. Lorsqu’il brûlait, la flamme était l’élément du feu qui s’échappait, toute vapeur était de l’air, toute humidité de l’eau, et la cendre qui restait était de la terre.
La Renaissance du XVIe siècle a redécouvert les œuvres de Platon, dans le cadre d’un mouvement intellectuel plus large de redécouverte du passé classique. La notion de Platon d’un principe brûlable au sein d’une substance s’accordait bien avec les idées alchimiques de l’époque. Le concept de Platon fut modifié et les alchimistes en vinrent à considérer le soufre, ou « un vague esprit de soufre », comme le principe inflammable. Le soufre brûle presque complètement, c’est pourquoi il est considéré comme le feu lui-même, ou quelque chose d’étroitement lié au feu. Un nouveau système d’éléments a été construit, les substances étant expliquées par une combinaison de soufre, de mercure et de sel. Ainsi, le bois brûlait parce qu’il contenait du soufre, dégageait des flammes parce qu’il contenait du mercure, et laissait des cendres parce qu’il contenait du sel.
Au milieu du XVIIe siècle, les observations, les expériences et la philosophie de Johann Joachim Becher (1635-1682) et de son élève Georg Ernst Stahl (1660-1734) les ont amenés à proposer une nouvelle interprétation du soufre. Ils ont proposé que le soufre soit en fait fabriqué à partir d’une combinaison d’acide sulfurique et d’une nouvelle substance qu’ils ont appelée phlogiston. Le phlogiston (prononcé FLO-jis-ton) était en fait le principe du feu, et non du soufre, et Stahl a suggéré que le phlogiston était libéré par toutes les substances lorsqu’elles brûlaient. Ainsi, lorsque le bois brûle, il libère du phlogiston dans l’air, laissant derrière lui des cendres. Les cendres sont donc du bois moins le phlogiston. Le soufre et les matériaux comme le charbon de bois et la graisse brûlaient bien parce qu’ils contenaient beaucoup de phlogiston.
Impact
La théorie du phlogiston est rapidement devenue populaire, et était très robuste, expliquant une grande variété de phénomènes. Elle expliquait la rouille des métaux. En rouillant, le métal dégageait du phlogiston dans l’air, de sorte qu’un métal était une combinaison de sa rouille et de son phlogiston. La respiration des animaux pouvait également être expliquée. Lorsque la nourriture était « brûlée » à l’intérieur du corps, le phlogiston était libéré et expulsé hors du corps par les poumons. Le phlogiston était la « puissance motrice du feu », le fondement de la couleur, le principe de l’inflammabilité, indestructible et une « matière extrêmement subtile ». Il pouvait facilement être utilisé pour expliquer les résultats observés dans les expériences. Par exemple, des expériences ont montré que si l’on brûlait un bâton de bois dans un espace confiné, tel qu’un bocal, la combustion s’arrêtait peu de temps après. Cela a été expliqué en suggérant que l’air ne pouvait contenir qu’une certaine quantité de phlogiston, et qu’une fois qu’il avait atteint sa limite, alors plus aucune combustion ne pouvait avoir lieu.
La théorie du phlogiston a eu beaucoup de succès, et était si large dans sa portée et son acceptation qu’elle est devenue l’une des premières hypothèses unificatrices des sciences chimiques. Cependant, les scientifiques ont commencé à avoir des problèmes pour expliquer certains nouveaux résultats expérimentaux. L’une des raisons était que la théorie tentait d’expliquer trop de choses. Plus la théorie était modifiée par ses partisans pour expliquer un comportement observé particulier, plus ils avaient des difficultés à expliquer les autres.
L’ensemble de la méthode d’enquête sur la nature était en train de changer. La confiance dans le passé était brisée par de nouvelles découvertes et inventions. Des défis à la science ancienne se sont produits en même temps que des défis étaient présentés à la religion traditionnelle, à l’économie, aux structures sociales et aux gouvernements. Le XVIIIe siècle a été une période de révolutions, notamment la Révolution américaine, la Révolution française et, entre les deux, une révolution dans les sciences chimiques.
A mesure que la théorie du phlogiston se développait, la nature et les propriétés de la mystérieuse substance ont commencé à être décrites de différentes manières. Alors que Stahl avait considéré le phlogiston comme un principe vague, les adeptes de sa théorie ont commencé à lui attribuer des propriétés physiques comme le poids. Au début, cela semblait seulement renforcer la logique de la théorie. Lorsque le bois brûle, il laisse derrière lui une substance plus légère, la cendre. Par conséquent, le poids manquant est le phlogiston qui s’est échappé. Lorsqu’un métal comme le fer rouille, la rouille apparaît plus légère, donc là encore le poids manquant était le phlogiston échappé.
Cependant, des expérimentateurs attentifs ont remarqué que si la rouille des métaux semblait plus légère, ou du moins moins moins dense, que le métal dont elle provenait, en fait la rouille pesait plus lourd. La théorie a donc été remaniée. Certains partisans ont suggéré que le phlogiston avait un poids négatif et que, par conséquent, lorsqu’il quittait une substance, le résultat était plus lourd. La théorie du phlogiston commence à devenir difficile à manier et trop compliquée. Les explications de ses propriétés commencent à être contradictoires. Pour expliquer certaines propriétés, il fallait parfois qu’il n’ait pas de poids, parfois un poids positif, et parfois négatif.
D’autres problèmes pour la théorie du phlogiston ont résulté de nouvelles expériences et recherches menées sur les gaz. Un groupe international d’expérimentateurs a commencé à travailler sur les gaz, à échanger des recherches et à publier et traduire des résultats expérimentaux, chacun apportant son propre point de vue et ses propres hypothèses aux résultats qu’il observait.
En Angleterre, au cours des années 1770, Joseph Preistley (1733-1804) était un partisan dévoué du phlogiston, mais il était aussi un expérimentateur prudent. Il a isolé un nouveau gaz en chauffant la rouille de mercure, qui, une fois chauffée, a dégagé le nouveau gaz, laissant derrière elle le mercure métallique. Ce nouveau gaz rendait les objets plus brillants et plus longs que l’air normal. Des souris enfermées dans des bocaux contenant ce nouveau gaz pouvaient respirer plus longtemps que dans l’air normal. Preistley a cherché une explication qui resterait cohérente avec la théorie du phlogiston. Il a donc supposé que ce nouveau gaz était particulièrement efficace pour absorber le phlogiston. L’air ordinaire, suggérait-il, contenait déjà une certaine quantité de phlogiston, et pouvait donc être rapidement rempli de phlogiston, rendant la combustion, la rouille et la respiration impossibles. Ce nouvel air, que Priestley a appelé air déphlogistiqué, était complètement dépourvu de phlogiston, il mettait donc beaucoup plus de temps à se remplir.
En France, Antoine Lavoisier (1743-1794) a réalisé des expériences similaires avec les mêmes substances. Il a obtenu les mêmes résultats que Priestley, mais il cherchait une nouvelle explication de la combustion, il a donc vu ses résultats sous un angle différent. Lavoisier a suggéré que plutôt que le phlogiston soit dégagé lorsqu’un métal rouille, ou qu’une substance brûle, une explication plus simple était que le nouveau gaz de Priestley, qu’il appelait oxygène, était absorbé de l’air.
Bien que les deux théories expliquent bien les résultats observés, l’explication de Lavoisier avait un avantage majeur sur celle de Priestley, elle donnait un mécanisme pour le gain de poids des rouilles. La rouille d’un métal était le métal combiné avec l’oxygène, produisant une substance plus lourde appelée oxyde. Il s’agissait d’une approche révolutionnaire du problème, rompant avec les traditions antérieures qui remontaient à Platon. Alors que le bon sens suggère que brûler ou rouiller un objet entraîne la fuite de quelque chose, l’analyse expérimentale minutieuse de Lavoisier a montré qu’en fait l’oxygène était absorbé.
Cependant, Lavoisier ne pouvait pas expliquer la nature de la chaleur et du feu, et a été contraint d’inventer une nouvelle substance étrange, qu’il a appelée calorique. Le calorique avait un certain nombre de similitudes avec le phlogiston en ce sens qu’il était un principe du feu, tout comme le soufre et le phlogiston avaient été considérés précédemment.
D’autres travaux expérimentaux avec d’autres métaux, leurs rouilles, et d’autres nouveaux gaz ont lentement commencé à développer une image plus cohérente de ce qui se passait pendant la rouille et la combustion. Une autre percée est venue avec la réalisation que l’eau était la combinaison des gaz hydrogène et oxygène. Si vous brûlez de l’hydrogène, cela produit de l’eau. La théorie de Lavoisier a gagné du soutien à mesure que de plus en plus d’expériences donnaient des résultats favorables.
Le principal adversaire de Lavoisier, Priestley, lui a survécu, mais n’a pas pu renverser la tendance à la » nouvelle chimie » de Lavoisier. Le dernier livre de Priestley, publié en 1796, soutenait toujours fermement la théorie du phlogiston, mais contenait une note de capitulation face aux opinions dominantes des autres. Il écrivait : » Il y a eu peu, sinon aucune, révolutions dans la science aussi grandes, aussi soudaines et aussi générales que la prévalence de ce qu’on appelle maintenant habituellement le nouveau système de chimie, ou celui des Antiphlogistons, sur la doctrine de Stahl, qui était considérée à un moment donné comme la plus grande découverte qui ait jamais été faite dans cette science. »
Alors que de nombreux historiens ont caractérisé Priestly comme un défenseur obstiné et stupide d’une théorie dépassée, l’acceptation des idées de Lavoisier en si peu de temps est plus surprenante. Les critiques ont souligné à juste titre que la théorie de Lavoisier était incomplète, et ne pouvait pas expliquer tous les résultats observés. Cependant, avec le temps, la théorie s’est renforcée et complétée, sans perdre sa simplicité. Certains l’accusent d’avoir simplement remplacé le phlogiston de Stahl par son propre calorique, une substance au moins aussi mystérieuse. Mais le calorique n’était pas au centre des idées de Lavoisier.
La nouvelle théorie de la combustion avait plusieurs points clés en sa faveur. Elle était simple, cohérente, n’invoquait pas de poids négatifs ou d’autres concepts apparemment obscurs, et était fermement fondée sur l’analyse expérimentale. Il restait quelques partisans du phlogiston ici et là, mais les preuves de la théorie de Lavoisier ne cessaient de s’accumuler. Cependant, ce n’est qu’au vingtième siècle que le dernier héritage du phlogiston, le calorique de Lavoisier, a été expliqué. La chaleur s’est révélée être une forme d’énergie, et les idées mystérieuses et mythiques du calorique et du phlogiston n’étaient plus nécessaires.
DAVID TULLOCH
Lectures complémentaires
Livres
Conant, James Bryant. Le renversement de la théorie du phlogiston – La révolution chimique de 1775-1789. Cambridge, MA : Harvard University Press, 1956.
Lavoisier, Antoine. Essais physiques et chimiques. Thomas Henry, trans. 2e édition. Londres : Cass, 1970.
White, John Henry. L’histoire de la théorie du phlogiston. Londres : E. Arnold, 1932, réimprimé par AMS Press (New York), 1973.
Sites Internet
Sélection de documents classiques de l’histoire de la chimie. http://maple.lemoyne.edu/~giunta/papers.html. Comprend plusieurs articles de Lavoisier.