geschiedenis van de studie van de verbranding

verbranding, vuur en vlam zijn waargenomen en gespeculeerd over vanaf de vroegste tijden. Elke beschaving heeft zijn eigen verklaring voor hen. De Grieken interpreteerden verbranding in termen van filosofische doctrines, waarvan er een was dat een bepaald “ontvlambaar principe” was vervat in alle brandbare lichamen en dit principe ontsnapte toen het lichaam werd verbrand om te reageren met lucht. Een veralgemening van het concept werd geleverd door de phlogiston theorie, geformuleerd in de 17e eeuw. Aanvankelijk behandeld als een zuiver metafysische kwaliteit, werd phlogiston later opgevat als een materiële substantie met gewicht en, soms, negatief gewicht. De ontoereikendheid van de phlogiston-theorie werd pas duidelijk in de late 18e eeuw, toen het niet in staat bleek om een groot aantal nieuwe feiten over verbranding te verklaren die voor het eerst werden waargenomen als gevolg van toenemende nauwkeurigheid in laboratoriumexperimenten.

de Engelse natuurfilosoof Sir Francis Bacon merkte in 1620 op dat een kaarsvlam een structuur heeft op ongeveer hetzelfde moment dat Robert Fludd, een Engelse mysticus, een experiment beschreef over verbranding in een gesloten container waarin hij vaststelde dat een hoeveelheid lucht daardoor werd verbruikt. Een Duitse natuurkundige, Otto von Guericke, toonde met behulp van een luchtpomp die hij in 1650 had uitgevonden aan dat een kaars niet zou branden in een container waaruit de lucht was gepompt. Robert Hooke, een Engelse wetenschapper, suggereerde in 1665 dat lucht een actieve component had die bij verhitting, gecombineerd met brandbare stoffen, vlam veroorzaakte. Een ander idee toegeschreven aan de hoge temperatuur van de vlam aan de snelle beweging van actieve luchtdeeltjes, en er werd geleerd dat zwavel gemengd met nitre kan branden in de afwezigheid van lucht (nitre is een verbinding van zuurstof die zuurstof afgeeft aan de zwavel).

de eerste benadering van de ware aard van verbranding werd gegeven door de Franse chemicus Antoine-Laurent Lavoisier: hij ontdekte in 1772 dat de producten van verbrande zwavel of fosfor—in feite hun as—zwaarder waren dan de oorspronkelijke stoffen, en hij stelde dat het toegenomen gewicht te wijten was aan hun combinatie met lucht. Interessant is dat het al bekend was dat metalen die door hitte in metaalas werden omgezet minder woog dan de metaalas, maar de theorie was dat in bepaalde gevallen phlogiston in metalen een negatief gewicht had en, bij het ontsnappen tijdens de verbranding, de as van het metaal zwaarder liet dan het was geweest met het phlogiston erin. Later concludeerde Lavoisier dat de “vaste” lucht die was gecombineerd met de zwavel identiek was aan een gas dat werd verkregen door de Engelse chemicus Joseph Priestley bij het verwarmen van de metalen as van Mercurius; dat wil zeggen, de “as” die werd verkregen toen Mercurius werd verbrand, kon worden gemaakt om het gas vrij te geven waarmee het metaal was gecombineerd. Dit gas was ook identiek aan het gas dat door de Zweedse chemicus Carl Wilhelm Scheele werd beschreven als een actieve fractie van lucht die de verbranding aanwakkerde. Lavoisier noemde het gas ” zuurstof.”

Lavoisier ‘s theorie dat de verbranding is een reactie tussen de brandende stof en het gas zuurstof, heden slechts in beperkte mate in de atmosfeer, gebaseerd op wetenschappelijke principes, waarvan de belangrijkste is de wet van het behoud van de zaak (na Einstein’ s relativiteitstheorie, van materie en energie): de totale hoeveelheid materie in het universum is constant. Zelfs oude filosofen hadden deze wet geraden, en het werd onderbouwd in de 17e eeuw. Lavoisier verduidelijkte ook het begrip “element” in een moderne generalisatie, dat het een substantie was die niet kon worden afgebroken, en dit ondersteunde ook zijn theorie. Kort daarna waren studies van gassen door de Engelse chemicus John Dalton, en de eerste tabel van atoomgewichten die Dalton samenstelde, evenals vele nieuwe gassen die door andere wetenschappers werden ontdekt, belangrijk om niet alleen Lavoisier ‘ s verbrandingstheorie te ondersteunen, maar ook zijn hele nieuwe scheikundige systeem gebaseerd op nauwkeurige metingen. De ontdekkingen van stikstof en waterstof in de tweede helft van de 18e eeuw, toegevoegd aan de eerdere ontdekkingen van kooldioxide en koolmonoxide, en de ontdekking dat de samenstelling van lucht Opmerkelijk constant is, hoewel het een mengsel is, ondersteunden alle de theorie van Lavoisier. De juiste verklaring van verbranding, misschien wel de oudste erkende chemische reactie, wordt meestal gezegd dat een hoeksteen in de ontwikkeling van de moderne wetenschap.Van 1815 tot 1819 experimenteerde de Engelse scheikundige Sir Humphry Davy met verbranding, met inbegrip van metingen van vlamtemperaturen, onderzoek naar het effect op vlammen van ijle gassen en verdunning met verschillende gassen; hij ontdekte ook katalytische verbranding—de oxidatie van brandbare stoffen op een katalytisch oppervlak, vergezeld van het vrijkomen van warmte, maar zonder vlam.

ondanks deze ontdekkingen ontbrak het de materialistische theorie van verbranding aan een duidelijk begrip van energie en dus aan de kritische rol die energieoverwegingen spelen in een nauwkeurige verklaring van verbranding. Het was de in Amerika geboren Engelse chemicus Sir Benjamin Thompson ‘ s experimenten met warmte in 1798 die bewijs voor het concept van warmte als een beweging van deeltjes onthulde. De ontwikkeling van een kinetische theorie van gassen, gebaseerd op de aanname dat warmte het gevolg is van de beweging van moleculen en atomen, van thermodynamica en van thermochemie, allemaal in de 19e eeuw, heeft uiteindelijk de energieaspecten van verbranding verduidelijkt.Onderzoek naar brandsnelheden, experimenten naar de volgorde van gebeurtenissen bij de verbranding van gasmengsels en studie van de afbraak van gasmoleculen door warmte (thermische dissociatie), in de laatste helft van de 19e eeuw, speelden een belangrijke rol bij de verfijning van theorieën over het verbrandingsmechanisme. Studies van licht dat door vlammen wordt uitgezonden leidden tot de analyse ervan in de spectroscoop, een apparaat dat een mengsel van lichtgolven scheidt in de componentgolven, en tot spectrale analyse in het algemeen, met inbegrip van theorieën van atomaire en moleculaire spectra, die op hun beurt bijdroegen aan een begrip van de aard van vlammen. De Bunsenbrander was ook van belang bij de studie van de vlamstructuur. De vooruitgang in de industrie was een krachtige stimulans bij het zoeken naar opheldering van vlamverschijnselen. Explosiegevaren in kolenmijnen hadden al in 1815 de aandacht gevestigd op de verspreiding van vlammen, toen Davy zijn veiligheidslamp uitvond. In 1881 werd detonatie ontdekt, en dit leidde aan het begin van de 20e eeuw tot een detonatietheorie gebaseerd op de aanname dat een gas zich onder bepaalde omstandigheden als vloeistof gedraagt. Na de jaren 1930 werd chemische kinetica een onmisbaar onderdeel van de vlamvoortplanting theorie.