Histoire de l’étude de la combustion

La combustion, le feu et la flamme ont été observés et spéculés depuis les temps les plus reculés. Chaque civilisation a eu sa propre explication pour eux. Les Grecs interprétaient la combustion en termes de doctrines philosophiques, dont l’une était qu’un certain “principe inflammable” était contenu dans tous les corps combustibles et que ce principe s’échappait lorsque le corps était brûlé pour réagir avec l’air. Une généralisation du concept a été fournie par la théorie du phlogiston, formulée au 17ème siècle. Traité d’abord comme une qualité purement métaphysique, le phlogiston a ensuite été conçu comme une substance matérielle ayant un poids et, parfois, un poids négatif. L’insuffisance de la théorie du phlogiston n’est apparue qu’à la fin du 18ème siècle, lorsqu’elle s’est avérée incapable d’expliquer une foule de faits nouveaux sur la combustion qui étaient observés pour la première fois à la suite d’une précision croissante dans les expériences de laboratoire.

Le philosophe naturel anglais Sir Francis Bacon a observé en 1620 qu’une flamme de bougie a une structure à peu près au même moment où Robert Fludd, un mystique anglais, a décrit une expérience sur la combustion dans un récipient fermé dans laquelle il a déterminé qu’une quantité d’air était ainsi épuisée. Un physicien allemand, Otto von Guericke, utilisant une pompe à air qu’il avait inventée en 1650, a démontré qu’une bougie ne brûlerait pas dans un récipient à partir duquel l’air avait été pompé. Robert Hooke, un scientifique anglais, a suggéré en 1665 que l’air avait un composant actif qui, lors du chauffage, associé à des substances combustibles, donnait naissance à une flamme. Une autre idée a attribué la température élevée de la flamme au mouvement rapide des particules d’air actives, et on a appris que le soufre mélangé au nitre peut brûler en l’absence d’air (le nitre est un composé d’oxygène qui libère de l’oxygène dans le soufre).

La première approximation de la vraie nature de la combustion a été postulée par le chimiste français Antoine-Laurent Lavoisier: il découvrit en 1772 que les produits de soufre ou de phosphore brûlés — en fait leurs cendres – l’emportaient sur les substances initiales, et il postule que l’augmentation du poids était due à leur combinaison avec l’air. Fait intéressant, on savait déjà que les métaux transformés par la chaleur en cendres métalliques pesaient moins que les cendres métalliques, mais la théorie était que dans certains cas, le phlogiston dans les métaux avait un poids négatif et, en s’échappant pendant la combustion, laissait les cendres du métal plus lourdes qu’elles ne l’avaient été avec le phlogiston. Plus tard, Lavoisier conclut que l’air “fixe” qui s’était combiné avec le soufre était identique à un gaz obtenu par le chimiste anglais Joseph Priestley en chauffant les cendres métalliques de mercure; c’est-à-dire que les “cendres” obtenues lors de la combustion du mercure pouvaient être faites pour libérer le gaz avec lequel le métal s’était combiné. Ce gaz était également identique à celui décrit par le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele comme une fraction active de l’air qui entretenait la combustion. Lavoisier a appelé le gaz “oxygène.”

La théorie de Lavoisier selon laquelle la combustion était une réaction entre la substance brûlante et l’oxygène gazeux, présent dans une mesure limitée dans l’atmosphère, reposait sur des principes scientifiques, dont le plus important était la loi de conservation de la matière (d’après la théorie de la relativité d’Einstein, de la matière et de l’énergie): la quantité totale de matière dans l’univers est constante. Même les philosophes anciens avaient deviné cette loi, et elle a été étayée au 17ème siècle. Lavoisier a également clarifié le concept d ‘”élément” dans une généralisation moderne, qu’il s’agissait d’une substance qui ne pouvait pas être décomposée, et cela a également soutenu sa théorie. Peu de temps après, les études des gaz par le chimiste anglais John Dalton, et le premier tableau des poids atomiques que Dalton a compilé, ainsi que de nombreux nouveaux gaz découverts par d’autres scientifiques, ont été importants pour soutenir non seulement la théorie de la combustion de Lavoisier, mais son tout nouveau système de chimie basé sur des mesures précises. Les découvertes de l’azote et de l’hydrogène dans la seconde moitié du XVIIIe siècle, ajoutées aux découvertes antérieures du dioxyde de carbone et du monoxyde de carbone, et la découverte que la composition de l’air est remarquablement constante bien qu’il s’agisse d’un mélange, ont toutes soutenu la théorie de Lavoisier. L’explication appropriée de la combustion, peut-être la plus ancienne réaction chimique reconnue, est généralement considérée comme une clé de voûte du développement de la science moderne.

De 1815 à 1819, le chimiste anglais Sir Humphry Davy a expérimenté la combustion, y compris des mesures de la température des flammes, des études de l’effet sur les flammes des gaz raréfiés et de la dilution avec divers gaz; il a également découvert la combustion catalytique — l’oxydation des combustibles sur une surface catalytique accompagnée de la libération de chaleur mais sans flamme.

Malgré ces découvertes, la théorie matérialiste de la combustion manquait d’un concept clair de l’énergie et, par conséquent, du rôle critique que les considérations énergétiques jouent dans une explication précise de la combustion. Ce sont les expériences du chimiste anglais d’origine américaine Sir Benjamin Thompson avec la chaleur en 1798 qui ont révélé des preuves du concept de chaleur en tant que mouvement de particules. Le développement d’une théorie cinétique des gaz, basée sur la prémisse que la chaleur résulte du mouvement des molécules et des atomes, de la thermodynamique et de la thermochimie, le tout au 19ème siècle, a finalement élucidé les aspects énergétiques de la combustion.

L’étude des vitesses de combustion, les expériences sur l’ordre des événements dans la combustion des mélanges gazeux et l’étude de la décomposition des molécules de gaz par la chaleur (dissociation thermique), dans la dernière moitié du XIXe siècle, ont joué un rôle essentiel dans l’affinement des théories concernant le mécanisme de combustion. Les études de la lumière émise par les flammes ont conduit à son analyse au spectroscope, un dispositif qui sépare un mélange d’ondes lumineuses en ondes composantes, et à l’analyse spectrale en général, y compris les théories des spectres atomiques et moléculaires, ce qui a contribué à la compréhension de la nature des flammes. Le brûleur Bunsen a également joué un rôle important dans l’étude de la structure de la flamme. Le progrès dans l’industrie a été un puissant stimulant dans la recherche de clarification des phénomènes de flamme. Les risques d’explosion dans les mines de charbon avaient attiré l’attention sur la propagation des flammes dès 1815, lorsque Davy a inventé sa lampe de sécurité. En 1881, la détonation a été découverte, ce qui a conduit au début du XXe siècle à une théorie de la détonation basée sur l’hypothèse qu’un gaz se comporte comme un fluide dans certaines conditions. Après les années 1930, la cinétique chimique est devenue un élément indispensable de la théorie de la propagation de la flamme.