Historia del estudio de la combustión

La combustión, el fuego y la llama se han observado y especulado desde los primeros tiempos. Cada civilización ha tenido su propia explicación para ellos. Los griegos interpretaban la combustión en términos de doctrinas filosóficas, una de las cuales era que un cierto “principio inflamable” estaba contenido en todos los cuerpos combustibles y este principio escapaba cuando el cuerpo se quemaba para reaccionar con el aire. Una generalización del concepto fue proporcionada por la teoría del flogisto, formulada en el siglo XVII. Tratado al principio como una cualidad puramente metafísica, el flogisto fue concebido más tarde como una sustancia material con peso y, a veces, peso negativo. La inadecuación de la teoría del flogisto se hizo evidente solo a finales del siglo XVIII, cuando demostró ser incapaz de explicar una serie de nuevos hechos sobre la combustión que se estaban observando por primera vez como resultado del aumento de la precisión en los experimentos de laboratorio.

El filósofo natural inglés Sir Francis Bacon observó en 1620 que la llama de una vela tiene una estructura casi al mismo tiempo que Robert Fludd, un místico inglés, describió un experimento de combustión en un recipiente cerrado en el que determinó que se consumía una cantidad de aire. Un físico alemán, Otto von Guericke, usando una bomba de aire que había inventado en 1650, demostró que una vela no se quemaría en un recipiente desde el que se había bombeado el aire. Robert Hooke, un científico inglés, sugirió en 1665 que el aire tenía un componente activo que, al calentarse, se combinaba con sustancias combustibles, dando lugar a llamas. Otra idea atribuyó la alta temperatura de la llama al movimiento rápido de las partículas de aire activas, y se aprendió que el azufre mezclado con nitro puede quemarse en ausencia de aire (el nitro es un compuesto de oxígeno que libera oxígeno al azufre).

La primera aproximación de la verdadera naturaleza de la combustión fue postulada por el químico francés Antoine-Laurent Lavoisier: descubrió en 1772 que los productos de azufre quemado o fósforo, en efecto, sus cenizas, superaban a las sustancias iniciales, y postuló que el aumento de peso se debía a que se habían combinado con aire. Curiosamente, ya se sabía que los metales transformados por calor en ceniza metálica pesaban menos que la ceniza metálica, pero la teoría era que en ciertos casos el flogisto en los metales tenía un peso negativo y, al escapar durante la combustión, dejaba la ceniza del metal más pesada de lo que había sido con el flogisto en él. Más tarde, Lavoisier concluyó que el aire” fijo “que se había combinado con el azufre era idéntico a un gas obtenido por el químico inglés Joseph Priestley al calentar la ceniza metálica de mercurio; es decir, las” cenizas ” obtenidas cuando se quemaba mercurio se podían hacer para liberar el gas con el que el metal se había combinado. Este gas también era idéntico al descrito por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele como una fracción activa del aire que sostenía la combustión. Lavoisier llamó al gas “oxígeno”.”

La teoría de Lavoisier de que la combustión era una reacción entre la sustancia en combustión y el oxígeno gaseoso, presente solo en una medida limitada en la atmósfera, se basaba en principios científicos, el más importante de los cuales era la ley de conservación de la materia (después de la teoría de la relatividad de Einstein, de la materia y la energía): la cantidad total de materia en el universo es constante. Incluso los filósofos antiguos habían adivinado esta ley, y se corroboró en el siglo XVII. Lavoisier también aclaró el concepto de “elemento” en una generalización moderna, que era una sustancia que no se podía descomponer, y esto también apoyó su teoría. Poco después, los estudios de gases por el químico inglés John Dalton, y la primera tabla de pesos atómicos que compiló Dalton, así como muchos gases nuevos descubiertos por otros científicos, fueron importantes para apoyar no solo la teoría de la combustión de Lavoisier, sino todo su nuevo sistema de química basado en mediciones precisas. Los descubrimientos de nitrógeno e hidrógeno en la segunda mitad del siglo XVIII, sumados a los descubrimientos anteriores de dióxido de carbono y monóxido de carbono, y el descubrimiento de que la composición del aire es notablemente constante a pesar de ser una mezcla, apoyaron la teoría de Lavoisier. La explicación adecuada de la combustión, tal vez la reacción química más antigua reconocida, generalmente se dice que ha sido una piedra angular en el desarrollo de la ciencia moderna.

De 1815 a 1819, el químico inglés Sir Humphry Davy experimentó con la combustión, incluyendo mediciones de temperaturas de llama, investigaciones del efecto sobre las llamas de gases enrarecidos y dilución con varios gases; también descubrió la combustión catalítica, la oxidación de combustibles en una superficie catalítica acompañada por la liberación de calor pero sin llama.

A pesar de estos descubrimientos, la teoría materialista de la combustión carecía de un concepto claro de energía y, por lo tanto, del papel crítico que desempeñan las consideraciones energéticas en una explicación precisa de la combustión. Fueron los experimentos del químico inglés nacido en Estados Unidos Sir Benjamin Thompson con el calor en 1798 los que revelaron evidencia para el concepto de calor como un movimiento de partículas. El desarrollo de una teoría cinética de los gases, basada en la premisa de que el calor resulta del movimiento de moléculas y átomos, de la termodinámica y de la termoquímica, todo en el siglo XIX, finalmente aclaró los aspectos energéticos de la combustión.

La investigación de las velocidades de combustión, los experimentos sobre el orden de los eventos en la combustión de mezclas de gases y el estudio de la descomposición de moléculas de gas por calor (disociación térmica), en la última mitad del siglo XIX, desempeñaron un papel vital en el refinamiento de las teorías sobre el mecanismo de combustión. Los estudios de la luz emitida por las llamas llevaron a su análisis en el espectroscopio, un dispositivo que separa una mezcla de ondas de luz en las ondas componentes, y al análisis espectral en general, incluidas las teorías de los espectros atómicos y moleculares, que a su vez contribuyeron a comprender la naturaleza de las llamas. El quemador Bunsen también fue importante en el estudio de la estructura de la llama. El progreso en la industria fue un poderoso estímulo en la búsqueda de clarificación de los fenómenos de llama. Los peligros de explosión en las minas de carbón habían llamado la atención sobre la propagación de llamas ya en 1815, cuando Davy inventó su lámpara de seguridad. En 1881 se descubrió la detonación, y esto llevó a principios del siglo XX a una teoría de detonación basada en la suposición de que un gas se comporta como un fluido bajo ciertas condiciones. Después de la década de 1930, la cinética química se convirtió en una parte indispensable de la teoría de propagación de llamas.