Storia dello studio della combustione

La combustione, il fuoco e la fiamma sono stati osservati e speculati fin dai primi tempi. Ogni civiltà ha avuto la sua spiegazione per loro. I greci interpretavano la combustione in termini di dottrine filosofiche, una delle quali era che un certo “principio infiammabile” era contenuto in tutti i corpi combustibili e questo principio sfuggiva quando il corpo veniva bruciato per reagire con l’aria. Una generalizzazione del concetto è stata fornita dalla teoria del flogistone, formulata nel 17 ° secolo. Trattato inizialmente come una qualità puramente metafisica, il flogistone fu in seguito concepito come una sostanza materiale avente peso e, a volte, peso negativo. L’inadeguatezza della teoria del flogistone divenne evidente solo alla fine del xviii secolo, quando si dimostrò incapace di spiegare una serie di nuovi fatti sulla combustione che venivano osservati per la prima volta come risultato di una maggiore precisione negli esperimenti di laboratorio.

inglese filosofo naturale Sir Francis Bacon osservato nel 1620 che la fiamma di una candela ha una struttura a circa lo stesso tempo che Robert Fludd, una mistica inglese, descritto un esperimento di combustione in un contenitore chiuso in cui ha stabilito che una quantità di aria è stato utilizzato così. Un fisico tedesco, Otto von Guericke, usando una pompa ad aria che aveva inventato nel 1650, dimostrò che una candela non avrebbe bruciato in un contenitore da cui era stata pompata l’aria. Robert Hooke, uno scienziato inglese, nel 1665 suggerì che l’aria avesse un componente attivo che, al riscaldamento, si combinava con sostanze combustibili, dando origine alla fiamma. Un’altra idea attribuiva l’alta temperatura della fiamma al movimento veloce delle particelle d’aria attive, e si è appreso che lo zolfo mescolato con il nitro può bruciare in assenza di aria (il nitro è un composto di ossigeno che rilascia ossigeno allo zolfo).

La prima approssimazione della vera natura della combustione è stata postulata dal chimico francese Antoine-Laurent Lavoisier: scoprì nel 1772 che i prodotti di zolfo bruciato o fosforo—in effetti le loro ceneri—superavano le sostanze iniziali, e postulò che l’aumento di peso era dovuto alla loro combinazione con l’aria. È interessante notare che era già noto che i metalli trasformati dal calore in cenere metallica pesavano meno della cenere metallica, ma la teoria era che in alcuni casi il flogistone nei metalli aveva un peso negativo e, dopo la fuga durante la combustione, lasciava la cenere del metallo più pesante di quanto non fosse stato con il flogistone in esso. Più tardi Lavoisier concluse che l’aria” fissa “che si era combinata con lo zolfo era identica a un gas ottenuto dal chimico inglese Joseph Priestley sul riscaldamento della cenere metallica di mercurio; cioè, le” ceneri ” ottenute quando il mercurio veniva bruciato potevano essere fatte per rilasciare il gas con cui il metallo si era combinato. Questo gas era anche identico a quello descritto dal chimico svedese Carl Wilhelm Scheele come una frazione attiva di aria che ha sostenuto la combustione. Lavoisier ha chiamato il gas ” ossigeno.”

la teoria di Lavoisier, che la combustione è una reazione tra la sostanza in fiamme e il gas ossigeno, presente solo in misura limitata in atmosfera, si è basata su principi scientifici, il più importante dei quali è la legge della conservazione della materia (dopo Einstein teoria della relatività, di materia e di energia): la quantità totale di materia nell’universo è costante. Anche i filosofi antichi avevano indovinato questa legge, ed è stata confermata nel 17 ° secolo. Lavoisier ha anche chiarito il concetto di “elemento” in una generalizzazione moderna, che era una sostanza che non poteva essere scomposta, e anche questo ha sostenuto la sua teoria. Poco dopo, gli studi sui gas del chimico inglese John Dalton e la prima tabella dei pesi atomici compilata da Dalton, così come molti nuovi gas scoperti da altri scienziati, furono importanti nel sostenere non solo la teoria della combustione di Lavoisier, ma il suo intero nuovo sistema di chimica basato su misurazioni accurate. Le scoperte di azoto e idrogeno nella seconda metà del 18 ° secolo, aggiunte alle precedenti scoperte di anidride carbonica e monossido di carbonio, e la scoperta che la composizione dell’aria è notevolmente costante anche se è una miscela, tutti hanno sostenuto la teoria di Lavoisier. La spiegazione corretta della combustione, forse la più antica reazione chimica riconosciuta, di solito si dice che sia stata una chiave di volta nello sviluppo della scienza moderna.

Dal 1815 al 1819 chimico inglese Sir Humphry Davy sperimentato su di combustione, includendo la misurazione delle temperature di fiamma, indagini di effetto fiamme di gas rarefatti, e la diluizione con vari gas; egli ha anche scoperto combustione catalitica—l’ossidazione di combustibili su una superficie catalitica accompagnata dal rilascio di calore, ma senza fiamma.

Nonostante queste scoperte, la teoria materialistica della combustione mancava di un chiaro concetto di energia e, quindi, del ruolo critico che le considerazioni energetiche svolgono in una spiegazione accurata della combustione. Furono gli esperimenti del chimico inglese Sir Benjamin Thompson con il calore nel 1798 che rivelarono prove del concetto di calore come movimento di particelle. Lo sviluppo di una teoria cinetica dei gas, basata sulla premessa che il calore deriva dal movimento di molecole e atomi, della termodinamica e della termochimica, il tutto nel xix secolo, ha finalmente chiarito gli aspetti energetici della combustione.

Lo studio delle velocità di combustione, gli esperimenti sull’ordine degli eventi nella combustione di miscele di gas e lo studio della scomposizione delle molecole di gas per calore (dissociazione termica), nell’ultima metà del xix secolo, hanno svolto un ruolo vitale nel perfezionamento delle teorie riguardanti il meccanismo di combustione. Gli studi sulla luce emessa dalle fiamme hanno portato alla sua analisi nello spettroscopio, un dispositivo che separa una miscela di onde luminose nelle onde componenti, e all’analisi spettrale in generale, comprese le teorie degli spettri atomici e molecolari, che a loro volta hanno contribuito a comprendere la natura delle fiamme. Il bruciatore Bunsen era anche di importanza nello studio della struttura della fiamma. I progressi nell’industria sono stati un potente stimolo nella ricerca di chiarimenti sui fenomeni di fiamma. I rischi di esplosione nelle miniere di carbone avevano attirato l’attenzione sulla propagazione della fiamma fin dal 1815, quando Davy inventò la sua lampada di sicurezza. Nel 1881 fu scoperta la detonazione, e questo portò all’inizio del 20 ° secolo a una teoria di detonazione basata sul presupposto che un gas si comporta come un fluido in determinate condizioni. Dopo il 1930 cinetica chimica divenne una parte indispensabile della teoria della propagazione della fiamma.