FLOGISTO… c’è ma non si vede, come l’aria!

Quanti di voi hanno sentito questo termine?

Venerdì mattina – 28 gennaio 2011 - si discuteva in classe (1°E chimici Natta BG) delle leggi ponderali della materia e quindi anche del Sig. Antoine Laurent Lavoisier (1743 –1794; francese esattore delle tasse con la passione per la chimica che contribuì anche a sviluppare il sistema metrico decimale). Capire il concetto che le masse si mantengano costanti durante una reazione chimica non è proprio immediato quando ci si trova di fronte alla formazione di prodotti aeriformi, da reagenti solidi e/o liquidi, in ambienti non confinati (sistemi aperti) oppure quando un reagente aeriforme…

coadiuva la formazione di un prodotto solido e/o liquido. Di fatto, i prodotti spesso “non si vedono” e quindi come li posso misurare per convalidare la legge di Lavoisier? Oggi il problema è facilmente risolvibile ma come se la cavavano con questo aspetto circa 400 anni fa, prima della legge di conservazione delle masse?

Johann Joachim Becher

Fu Johann Joachim Becher, chimico tedesco (e monaco?) vissuto tra il 1635 ed il 1682 ad elaborare la prima teoria – il principio di infiammabilità - che spiegasse i processi di ossidazione, come lo sono le combustioni. La teoria prevedeva che le sostanze combustibili ed i metalli che arroventati all'aria si trasformavano in "calci", cioè si ossidavano, producessero durante la combustione o la calcinazione un misterioso "principio di infiammabilità", il FLOGISTO [s.m.; dal greco phlogistós, arso, fiamma].

Georg Ernest Stahl

La stessa teoria fu confermata e sviluppata dal medico tedesco Georg Ernest Stahl (1660-1734) che nel 1697 la propose nel suo libro Zymotechnia fundamentalis sive fermentationis theoria generalis (che tradotto suona come: Zimotecnia fondamentale ovvero teoria generale della fermentazione).

Il "flogisto" o "principio solforoso", secondo Stahl era il principio materiale del calore e del fuoco, "la vera materia del fuoco".

Esso dava luogo al fenomeno sensibile del calore quando si liberava dai corpi, durante le combustioni e le calcinazioni:

"Tuttavia al di fuori della mistione non produce fuoco, ma si dissipa e si volatilizza in particelle invisibili o, perlomeno, produce semplicemente del calore, che è un fuoco invisibile e molto diviso".

La liberazione del flogisto e la sua dispersione nell'atmosfera erano quindi responsabili degli effetti termici associati alle reazioni chimiche, in particolare delle combustioni e delle calcinazioni, le quali, secondo questa teoria, consistevano in una liberazione all'aria di flogisto (gli “IGNICOLI”) contenuto come un autentico principio componente nei corpi combustibili e nei metalli.

Stahl riteneva che il flogisto si allontanasse da un corpo che bruciava e che quindi tutte le sostanze che bruciano ne fossero ricche mentre le calci, gli attuali ossidi, ne fossero prive; pertanto, quando un metallo, bruciando, si trasformava nella sua "calce" (ossido), perdeva il flogisto mentre quando l'ossido veniva ridotto a metallo, riacquistava il flogisto. In base alla teoria, la combustione del carbone produceva ceneri e flogisto mentre l’aggiunta di flogisto alla calce produceva il metallo; in tutti questi processi l’aria aveva solo il ruolo di mediatore, trasportando questo misterioso soggetto prendendolo a chi lo produceva e portandolo a chi ne necessitava. La presenza del fuoco, altro punto fondamentale della teoria, permetteva di individuare la presenza del flogisto durante la reazione.

Analizzando la teoria di Stahl, si potrebbe affermare a tutta ragione che il flogisto fosse in realtà in relazione (“inversa”?) con l’ossigeno. L'efficacia di questo elemento nel favorire la combustione e la calcinazione, fece identificare l'ossigeno con l’aria priva di flogisto e quindi avida di esso; analogamente, l'estinzione della combustione in ambiente chiuso, anziché all'esaurimento dell'ossigeno, era attribuita alla saturazione dell'aria con flogisto.

Capito il concetto e la teoria, si vede che ciò che non si poteva misurare perché invisibile finiva nel flogisto e le cose si sistemavano da sole; è come se oggi dicessimo che la legna quando dà una reazione di combustione, si trasforma in ceneri e flogisto e non in calore, anidride carbonica, acqua, e una miriade di prodotti di combustione derivanti dalla composizione originaria del legno bruciato… e bruciando la stessa legna in una stanza chiusa vedremmo spegnersi la fiamma perché l’aria si riempirebbe di flogisto (quando invece probabilmente si dovrebbe parlare della fine dell’ossigeno, probabilmente perché potrebbe finire prima la legna…).

Questa teoria ebbe molto successo all’epoca perché in primo luogo si era in presenza di alchimisti che non avevano ancora chiari molti concetti quali quelli della pressione, della temperatura e delle fasi della materia e perché permetteva di spiegare l'ottenimento dei metalli dalle calci mettendo a disposizione quindi un'ipotesi di lavoro che in apparenza spiegava molti fenomeni naturali. Inoltre ebbe il grande merito di mettere in luce per la prima volta che le reazioni chimiche avvenivano secondo schemi precisi.

Hermannus Boerhaave

Pur essendo questa una delle più grandi scoperte dell'epoca (di fatto in auge per circa un secolo) vide la nascita di alcune autorevoli opinioni decisamente critiche come quelle del medico olandese Hermannus Boerhaave (1668-1738 Medico, chimico e botanico di Leida: Professore, titolare di medicina a Leida) che nella sua opera "Elementa chimiae" del 1724, per lungo tempo manuale/guida allo studio della chimica, facendo riferimento sia alla teoria del phogiston (flogisto) sia alle idee, allora dominanti, dei fluidi imponderabili (luce, elettricità), propose che il fuoco fosse un tipo speciale di materia ed il calore come un tipo di sostanza o principio contenuto nelle materie combustibili. Le tesi di Boerhaave erano confermate dal fatto che la teoria del flogisto era in contraddizione con l'aumento di peso delle calci (se il metallo perdeva flogisto la calce avrebbe dovuto essere più leggera). Una teoria accessoria che si formulò per sopperire alle affermazioni di Boerhaave con lo scopo di salvare la teoria del flogisto comportò l’introduzione del concetto di "peso negativo" del flogisto.

Michail Vasil'evič Lomonosov

Già nel 1753 Mikhail Vasil'evič Lomonosov dimostrò l'infondatezza di tali idee. L'ossigeno fu scoperto nel 1773 dallo svedese Karl Wihelm Scheele (1742 - 1786) e, in modo del tutto indipendente da Joseph Priestley.

Tutta una gamma di nuovi studi si apriva, dunque agli scienziati del '700: i gas appena isolati avevano proprietà termiche da misurare, se scaldati si espandevano secondo modalità da studiare e espandendosi o contraendosi subivano variazioni di temperatura ancora incomprensibili. Sempre in questo filone s'inseriscono i contributi offerti dal già citato Black e da Johann Carl Wilcke, cui spetta il merito di alcune importanti scoperte sulle proprietà del "calorico". Essi ,infatti, intorno al 1760, elaborarono il concetto di calore specifico che chiamarono "capacità termica" e lo definirono come il calore necessario per innalzare di un grado la temperatura di una massa unitaria di una qualsiasi sostanza. Si individuarono pure due modalità di misurazione del calore specifico dei gas (mantenendo la pressione costante - Cp - oppure mantenendo il volume costante - Cv).

Immediatamente dopo aver ottenuto tali risultati, essi elaborarono il concetto di "calore latente": il calore assunto o ceduto mentre un corpo cambia di stato. Accorgendosi che nel processo di cambiamento di stato, il calore veniva trasferito, ma la temperatura non mutava, intuirono che il passaggio dovesse avvenire a spese del calore latente. L'intuizione favorì l'idea che il calore fosse una sostanza materiale che poteva entrare in combinazione chimica con la materia, non rilevabile col termometro, e perciò definita "latente".

Il successo ottenuto da tale teoria, nel XVIII secolo, non fu solo dovuto all'esigenza di ipotesi rappresentative di tipo cartesiano, ma anche ai successi sperimentali e al quadro esplicativo coerente che permetteva di ottenere, con il calcolo, combinazioni quali, per esempio, acqua + flogisto = vapor d'acqua.

Tuttavia la teoria flogistica non poteva ancora essere ripudiata senza adeguate prove sperimentali condotte con il rigore adatto ai tempi nuovi. Una delle maggiori obiezioni alla teoria era il fatto che la "calce" (ossido) ritenuta più semplice del metallo da cui derivava, aveva invece un peso maggiore. Apporti considerevoli alla confutazione furono quelli di Pierre Simon Laplace.

Antoine-Laurent Lavoisier

Ma determinante fu l'opera che scoprì e dimostrò che la combustione non avveniva mediante la perdita di flogisto, ma comportava la combinazione dell'ossigeno dell'aria con il corpo combustibile; nel 1783 Antoine-Laurent Lavoisier In Reflexions sur le Phlogistique, mostrò che la "teoria del flogisto" era inconsistente. Con l'enunciazione della legge della conservazione della massa, proposta tra il 1770 e il 1790, e pubblicata all'interno dell'opera "Traité élémentaire de chemie" (1789), fu in grado di confutare in maniera chiara questa teoria si compì il primo vero passo avanti della chimica moderna.

Non si può dimenticare poi il contributo portato da Benjamin Thompson, conte di Rumford, sul finire del secolo. Egli infatti , nel 1799, sviluppo delle osservazioni interessanti. Notò che durante la fabbricazione di cannoni si sviluppava una grande quantità di calore prodotto per attrito dalla alesatrice. Così intuì che il calore non era una sostanza dell'energia meccanica impiegata che si trasformava in calore; “Allora il calore non è un fluido, ma una fonte di energia”.

La materia è formata da piccolissime particelle, le molecole, che sono continuamente in moto. Con il progresso degli studi scientifici si è accertato che l'energia termica è dovuta alle vibrazioni velocissime di queste molecole: tanto più un corpo è caldo e tanto più rapide sono le vibrazioni delle sue molecole.

Gli studi sul calore proseguirono e, nella prima parte del XIX secolo, confluirono in quella che venne definita teoria del "calorico". Anche questa, come quella flogistica, era una teoria materiale, nella quale il calorico veniva ancora considerato come un fluido caldo privo di peso e altamente elastico.

Adesso non avete più scuse e non potete dire di non averne mai sentito parlare.

Buono studio.

GAGiuliani