Overview
All’inizio del XVIII secolo dominava la teoria del flogisto del fuoco. Alla fine del XVIII secolo, tuttavia, la teoria del flogisto era stata rovesciata dal nuovo concetto di combustione dell’ossigeno. Il rovesciamento della teoria del flogisto del fuoco è spesso presentato come un fulgido esempio del trionfo della buona scienza sulla cattiva, ma la saga è fatta di molte false partenze, falsi esperimenti e false supposizioni. Personalità, influenze sociali e culturali, e la nuova enfasi sull’analisi sperimentale e sulle cause naturali si combinarono per sfidare e sostituire la teoria del flogisto.
Sfondo
I filosofi greci consideravano il fuoco come uno degli elementi fondamentali della natura, offrendo una serie di interpretazioni diverse. Eraclito di Efeso (circa 535-475 a.C.) fece del fuoco la forza universale della creazione. Aristotele (384-322 a.c.) chiamò il fuoco uno dei grandi principi di tutte le cose. Platone (427-347 a.c.), il maestro di Aristotele, suggerì che gli oggetti combustibili contenevano al loro interno un principio infiammabile, una sostanza che li faceva bruciare, ma furono le idee di Aristotele a dominare il pensiero europeo medievale.
Il fuoco di Aristotele era parte di un sistema a quattro elementi composto da aria, terra, fuoco e acqua. Una sostanza come il legno era composta da una combinazione dei quattro elementi. Quando bruciava, la fiamma era l’elemento del fuoco che usciva, qualsiasi vapore era aria, qualsiasi umidità acqua, e la cenere che rimaneva era terra.
Il Rinascimento del XVI secolo riscoprì le opere di Platone, come parte di un più ampio movimento intellettuale di riscoperta del passato classico. La nozione di Platone di un principio bruciabile all’interno di una sostanza si adatta bene alle idee alchemiche del periodo. Il concetto di Platone fu modificato e gli alchimisti arrivarono a considerare lo zolfo, o “qualche vago spirito di zolfo”, come il principio infiammabile. Lo zolfo bruciava quasi completamente, quindi lo zolfo era visto come il fuoco stesso, o qualcosa di strettamente legato al fuoco. Fu costruito un nuovo sistema di elementi, con sostanze spiegate da una combinazione di zolfo, mercurio e sale. Così il legno bruciava perché conteneva zolfo, emetteva fiamme perché conteneva mercurio, e lasciava cenere perché conteneva sale.
A metà del XVII secolo le osservazioni, gli esperimenti e la filosofia di Johann Joachim Becher (1635-1682) e del suo allievo Georg Ernst Stahl (1660-1734) li portarono a proporre una nuova interpretazione dello zolfo. Essi proposero che lo zolfo era in realtà fatto da una combinazione di acido solforico più una nuova sostanza che chiamarono flogisto. Il flogisto (pronunciato FLO-jis-ton) era in realtà il principio del fuoco, non lo zolfo, e Stahl suggerì che il flogisto era rilasciato da tutte le sostanze quando bruciavano. Quindi, quando il legno brucia rilascia flogisto nell’aria, lasciando dietro di sé la cenere. La cenere era quindi il legno meno il flogisto. Lo zolfo e materiali come il carbone e il grasso bruciavano bene perché contenevano una grande quantità di flogisto.
Impatto
La teoria del flogisto divenne rapidamente popolare, ed era molto solida, spiegando una grande varietà di fenomeni. Spiegava l’arrugginimento dei metalli. Mentre il metallo arrugginiva, emetteva flogisto nell’aria, quindi un metallo era una combinazione della sua ruggine e del flogisto. Anche la respirazione degli animali poteva essere spiegata. Mentre il cibo veniva “bruciato” all’interno del corpo, il flogisto veniva rilasciato ed espulso dal corpo attraverso i polmoni. Il flogisto era la “forza motrice del fuoco”, il fondamento del colore, il principio dell’infiammabilità, indistruttibile, e una “materia estremamente sottile”. Poteva essere facilmente usato per spiegare i risultati osservati negli esperimenti. Per esempio, gli esperimenti mostravano che se si bruciava un bastone di legno in uno spazio ristretto, come un barattolo, dopo poco tempo la combustione si fermava. Questo fu spiegato suggerendo che l’aria poteva contenere solo una certa quantità di flogisto, e una volta raggiunto il suo limite allora non poteva più avvenire la combustione.
La teoria del flogisto ebbe molto successo, ed era così ampia nella sua portata e accettazione che divenne una delle prime ipotesi unificanti delle scienze chimiche. Tuttavia, gli scienziati cominciarono ad avere problemi a spiegare alcuni nuovi risultati sperimentali. Uno dei motivi era che la teoria cercava di spiegare troppe cose. Più la teoria veniva modificata dai suoi sostenitori per spiegare un particolare comportamento osservato, più avevano difficoltà a spiegarne altri.
L’intero metodo di indagine sulla natura stava cambiando. La fiducia nel passato veniva distrutta da nuove scoperte e invenzioni. Le sfide alla scienza antica avvenivano nello stesso momento in cui si presentavano sfide alla religione tradizionale, all’economia, alle strutture sociali e ai governi. Il XVIII secolo fu un periodo di rivoluzioni, tra cui la Rivoluzione Americana, la Rivoluzione Francese, e tra queste una rivoluzione nelle scienze chimiche.
Con lo sviluppo della teoria del flogisto, la natura e le proprietà della misteriosa sostanza cominciarono ad essere descritte in modi diversi. Mentre Stahl aveva considerato il flogisto come un vago principio, i seguaci della sua teoria iniziarono ad assegnare al flogisto proprietà fisiche come il peso. All’inizio, questo sembrava solo rafforzare la logica della teoria. Quando il legno brucia lascia dietro di sé una sostanza più leggera, la cenere. Pertanto, il peso mancante è il flogisto fuggito. Quando un metallo come il ferro arrugginisce, la ruggine appare più leggera, quindi ancora una volta il peso mancante era il flogisto fuggito.
Tuttavia, attenti sperimentatori notarono che mentre la ruggine dei metalli appariva più leggera, o almeno meno densa, del metallo da cui proveniva, in realtà la ruggine pesava di più. Questo portò ad un ulteriore ritocco della teoria. Alcuni sostenitori suggerirono che il flogisto avesse un peso negativo, e quindi quando lasciava una sostanza rendeva il risultato più pesante. La teoria del flogisto cominciò a diventare ingombrante ed eccessivamente complicata. Le spiegazioni delle sue proprietà cominciarono ad essere contraddittorie. Per spiegare certe proprietà, a volte non doveva avere peso, a volte peso positivo e a volte negativo.
Altri problemi per la teoria del flogisto derivarono da nuovi esperimenti e ricerche sui gas. Un gruppo internazionale di sperimentatori iniziò a lavorare sui gas, scambiando ricerche, pubblicando e traducendo i risultati sperimentali, ognuno portando la propria prospettiva e i propri presupposti ai risultati che osservava.
In Inghilterra negli anni 1770 Joseph Preistley (1733-1804) fu un convinto sostenitore del flogisto, ma fu anche un attento sperimentatore. Egli isolò un nuovo gas riscaldando la ruggine di mercurio che, riscaldata, emetteva il nuovo gas e lasciava dietro di sé il mercurio metallico. Questo nuovo gas faceva sì che le cose bruciassero più intensamente e più a lungo dell’aria normale. I topi sigillati in vasi di questo nuovo gas potevano respirare più a lungo dell’aria normale. Preistley cercò una spiegazione che rimanesse coerente con la teoria del flogisto, così ipotizzò che questo nuovo gas fosse particolarmente bravo ad assorbire il flogisto. L’aria normale, suggerì, conteneva già un po’ di flogisto e quindi poteva essere rapidamente riempita con altro flogisto, rendendo impossibile la combustione, la ruggine e la respirazione. Questa nuova aria, che Priestley chiamò aria deflogistica, era completamente priva di flogisto, quindi impiegava molto più tempo a riempirsi.
In Francia Antoine Lavoisier (1743-1794) fece esperimenti simili con le stesse sostanze. Ottenne gli stessi risultati di Priestley, ma stava cercando una nuova spiegazione della combustione, quindi vide i suoi risultati da una prospettiva diversa. Lavoisier suggerì che piuttosto che il flogisto che si sprigiona quando un metallo si arrugginisce o una sostanza brucia, una spiegazione più semplice era che il nuovo gas di Priestley, che chiamò ossigeno, veniva assorbito dall’aria.
Mentre entrambe le teorie spiegavano bene i risultati osservati la spiegazione di Lavoisier aveva un grande vantaggio su quella di Priestley, forniva un meccanismo per l’aumento di peso delle ruggini. La ruggine di un metallo era il metallo combinato con l’ossigeno, producendo una sostanza più pesante chiamata ossido. Questo era un approccio rivoluzionario al problema, rompendo con le tradizioni precedenti che risalivano a Platone. Mentre il senso comune suggeriva che bruciando o arrugginendo un oggetto qualcosa sfuggiva, l’attenta analisi sperimentale di Lavoisier dimostrò che in realtà l’ossigeno veniva assorbito.
Tuttavia, Lavoisier non riusciva a spiegare la natura del calore e del fuoco, e fu costretto a inventare una nuova strana sostanza, che chiamò calorico. Il calorico aveva una serie di somiglianze con il flogisto, nel senso che era un principio del fuoco, proprio come lo zolfo e il flogisto erano stati considerati in precedenza.
L’ulteriore lavoro sperimentale con altri metalli, le loro ruggini, e altri nuovi gas iniziò lentamente a sviluppare un quadro più coerente di ciò che accadeva durante la ruggine e la combustione. Un’altra svolta arrivò con la realizzazione che l’acqua era la combinazione dei gas idrogeno e ossigeno. Se si brucia l’idrogeno, si produce acqua. La teoria di Lavoisier guadagnò supporto man mano che sempre più esperimenti davano risultati favorevoli.
Il principale avversario di Lavoisier, Priestley, gli sopravvisse, ma non fu in grado di rovesciare la tendenza alla “nuova chimica” di Lavoisier. L’ultimo libro di Priestley, pubblicato nel 1796, sosteneva ancora fortemente la teoria del flogisto, ma conteneva una nota di resa alle opinioni prevalenti degli altri. Egli scrisse: “Ci sono state poche, se non nessuna, rivoluzioni nella scienza così grandi, così improvvise e così generali, come il prevalere di quello che ora è solitamente chiamato il nuovo sistema di chimica, o quello degli antiflogistoni, sulla dottrina di Stahl, che un tempo era ritenuto essere la più grande scoperta che fosse mai stata fatta nella scienza.”
Mentre molti storici hanno caratterizzato Priestly come un difensore ostinato e sciocco di una teoria superata, l’accettazione delle idee di Lavoisier in così poco tempo è più sorprendente. I critici hanno giustamente sottolineato che la teoria di Lavoisier era incompleta e non poteva spiegare tutti i risultati osservati. Tuttavia, con il tempo la teoria divenne più forte e completa, senza perdere la sua semplicità. Alcuni lo accusarono di aver semplicemente sostituito il flogisto di Stahl con il proprio calorico, una sostanza almeno altrettanto misteriosa. Ma il calorico non era centrale nelle idee di Lavoisier.
La nuova teoria della combustione aveva diversi punti chiave a suo favore. Era semplice, coerente, non invocava pesi negativi o altri concetti apparentemente arcani, ed era basata saldamente sull’analisi sperimentale. Rimasero alcuni sostenitori del flogisto qua e là, ma le prove della teoria di Lavoisier continuavano a crescere. Tuttavia, non fu fino al ventesimo secolo che l’ultima eredità del flogisto, il calorico di Lavoisier, fu spiegato. Il calore si rivelò essere una forma di energia, e le idee misteriose e mitiche del calorico e del flogisto non erano più necessarie.
DAVID TULLOCH
Altre letture
Libri
Conant, James Bryant. Il rovesciamento della teoria del flogisto – La rivoluzione chimica del 1775-1789. Cambridge, MA: Harvard University Press, 1956.
Lavoisier, Antoine. Saggi fisici e chimici. Thomas Henry, trans. 2a edizione. Londra: Cass, 1970.
White, John Henry. La storia della teoria del flogisto. Londra: E. Arnold, 1932, ristampato da AMS Press (New York), 1973.
Siti Internet
Selected Classic Papers from the History of Chemistry. http://maple.lemoyne.edu/~giunta/papers.html. Include diversi articoli di Lavoisier.