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Dall’alchimia alla chimica: la teoria del Flogisto

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di Vincenzo Villani

Dipartimento di Scienze, Università della Basilicata

E’ tempo di Natale, tempo di raccogliersi davanti al camino, al fuoco… è tempo di raccontare la storia del flogisto, la prima teoria chimica che segnò il definitivo superamento dell’alchimia.

Le trasformazioni del mercurio: da metallo a "calce" (oggi detta ossido) e viceversa

Le trasformazioni del mercurio: da metallo a “calce” (oggi detta ossido) e viceversa

Nella nascente chimica del ‘600-‘700 la calcinazione dei metalli, ovvero la trasformazione mediante il calore di un metallo nella calce (ossido) corrispondente e la successiva riduzione delle calci nuovamente a metallo, furono al centro del dibattito scientifico.

Robert Boyle (1627-1691) nei New Experiments del 1673, osservò un fenomeno molto importante: le calci ottenute pesavano più del metallo di partenza. Boyle interpretò questo risultato ipotizzando i ‘corpuscoli ignei’, questi attraversando i pori del crogiolo, si combinavano coi metalli aumentando il peso della calce prodotta. In accordo con la visione newtoniana, il fuoco veniva considerata una sostanza di natura particellare.

interpretazione della calcinazione dei metalli secondo la teoria del flogisto

interpretazione della calcinazione dei metalli secondo la teoria del flogisto

Proprio in questo periodo Georg Ernst Stahl (1660-1734) elaborò la teoria del flogisto. Egli avversò il ‘meccanicismo atomistico’ (che infine avrebbe prevalso) ritenendolo incapace di spiegare interamente le reazioni chimiche. In questo modo implementando le idee del maestro Johann Joachim Becher (1635-1682) sviluppò una teoria chimica basata su ‘entità portatrici di qualità’ ed approdò al flogisto.

La teoria del flogisto rappresentò il primo sforzo di razionalizzare l’insieme dei fatti chimici che la ricerca infaticabile e irrazionale degli alchimisti aveva prodotto fino a quel momento. Sebbene erronea, seppe imprimere al sapere dell’epoca la spinta necessaria per superare le mistiche utopie dell’alchimia unificando i fenomeni della calcinazione, combustione, riduzione dei metalli e respirazione animale. Infine, fu a sua volta superata, alla nascita della chimica moderna, dagli esperimenti logici e quantitativi di Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794).

Il flogisto non fu una teoria scientifica in senso moderno, fu un ‘paradigma’ condiviso, metafisico e ‘non-falsificabile’, mediante ipotesi ad hoc fu adattato alle più diverse evidenze sperimentali: “Han fatto del flogisto un quid estremamente vago, che si adatta a tutte le spiegazioni. Qualche volta pesa, talaltra no; una volta è libero, l’altra è legato con un elemento terrestre; talvolta attraversa i pori della terracotta e talaltra no. E’ un Proteo che cambia forma ad ogni occasione”, scriveva Lavoisier.

Paracelso ed i tre elementi che potevano spiegare la combustione del legno

Paracelso ed i tre elementi che potevano spiegare la combustione del legno

Gli antichi considerarono il fuoco il più puro e perfetto degli elementi della Natura, la cui sede naturale è nel cielo più alto. Era la scoperta più grande che l’uomo avesse fatto, rapito al Sole da Prometeo che accese la prima fiamma.  Aristotele considera il fuoco uno dei principi di tutte le cose ed Eraclito la ‘forza universale della creazione’.  Platone, invece, ipotizza che tutti i corpi combustibili contengono un certo ‘principio infiammabile’, divenendo di fatto il padre ante litteram del flogisto. Per gli alchimisti la causa del fuoco era un vago ‘spirito di zolfo’, infiammabile.  Paracelso (1493-1541), l’ultimo degli alchimisti, spiegava la combustione del legno con i tre elementi in esso contenuti: lo zolfo brucia, diceva, il mercurio dà la fiamma e il sale, la cenere (oggi sappiamo che la cenere è la miscela incombusta di composti fortemente ossidati che nel caso del legno sono a base di sodio, potassio, calcio, magnesio e fosforo).

Stahl, si scrollò di dosso il principio sulfureo dei suoi predecessori ed ipotizzò che la terra pinguis (grassa) infiammabile di Becher fosse il flogisto (dal greco ‘dar fuoco’). Dunque, il flogisto era il fuoco stesso, un’entità ben definita di natura terrosa, secca e adatta alle combinazioni chimiche.

Bruciare, significava emettere flogisto violentemente sotto forma di fiamma: il peso della sostanza bruciata diminuiva a causa del flogisto liberato.  Dunque, il flogisto era un elemento ponderabile e ben definito.  Tuttavia, se il flogisto sfugge dal metallo calcinato, perché mai la calce prodotta pesa più del metallo di partenza?  Stahl e i suoi non accettarono la prova sperimentale: “…il flogisto può, qualche volta, avere la qualità della leggerezza, cioè pesare meno che nulla. E’ naturale che le calci peseranno più dei metalli che avete messo nella fornace: qualcosa, meno qualcosa che pesa meno di nulla, peserà sempre di più che non nello stato primitivo”: al flogisto, mediante un’ipotesi ad hoc, fu attribuito un peso negativo!

I più importanti teorizzatori del flogisto:  G. S. Stahl (a sinistra) e J. J. Becher (a destra).  In centro: ossidazione (combustione) di un nastro di magnesio, con visibile formazione dell'ossido, di colore bianco

I più importanti teorizzatori del flogisto: G. S. Stahl (a sinistra) e J. J. Becher (a destra). In centro: ossidazione (combustione) di un nastro di magnesio, con visibile formazione dell’ossido, di colore bianco

Il flogisto era sempre lo stesso in tutti i metalli e corpi combustibili: bruciando o scaldando i metalli si ottengono le calci ed esso transita dal metallo all’aria che non partecipa alla reazione,

Metallo (flogisto) + calore  =>  Calce + aria flogistizzata

Riscaldando le calci, queste vengono ‘ridotte’ nuovamente a metalli: il flogisto transita dall’aria flogistizzata al metallo,

Calce + aria flogistizzata + calore  =>  Metallo (flogisto) + aria deflogistizzata

Le calci riscaldate in presenza di carbone (sostanza infiammabile ricca di flogisto) danno il metallo e aria fissa: il flogisto transita dal carbone al metallo,

Calce + carbone (flogisto) + calore  =>  Metallo (flogisto) + aria fissa

“I metalli morti possono sottostare a riviviscenza o riduzione allo stato primitivo per mezzo del carbone”, aveva scritto Paracelso.

Queste le reazioni di calcinazione e riduzione dei metalli (riscritte in modo moderno); in ogni caso l’aria è considerata sostanza inerte e funge solo da serbatoio del flogisto.

Joseph Priestley (1733-1804) riducendo la calce rossa di mercurio o piombo mediante una potente lente convergente falsificò i ‘corpuscoli ignei’ di Boyle e scoprì l’aria deflogisticata (non accorgendosi che era l’ossigeno).

Henry Cavendish (1731-1810), studiò la natura del gas che si liberava nella reazione del ferro con l’acido solforico e utilizzando acidi e metalli diversi concluse d’aver isolato il flogisto e non si accorse che era l’idrogeno! Facendo reagire l’aria deflogistizzata di Priestley col flogisto da lui isolato concluse che “l’acqua è aria deflogisticata unita con flogisto in un rapporto in volume di 1:2”.

Antoine Marie Lavoisier scoprì che la calcinazione dei metalli e la combustione di zolfo e fosforo erano dovuti alla fissazione dell’aria: in questo modo spiegava l’aumento in peso dei prodotti rispetto ai reagenti. Nel 1774 effettuò il classico esperimento dei dodici giorni concludendo che l’aria deflogisticata di Priestley era oxygine, un nuovo elemento, e che il flogisto non esisteva.

moderna interpretazione della "calcinazione" di un nastro metallico per combustione (ossidazione) all'aria

moderna interpretazione della “calcinazione” di un nastro metallico per combustione (ossidazione) all’aria

La combustione e la calcinazione dei metalli sono dati dall’assorbimento dell’ossigeno non dalla liberazione del flogisto, lo dimostrava la conservazione della massa: il prodotto, subiva un aumento di peso rispetto alla sostanza originale, uguale al peso dell’ossigeno che si combinava con la sostanza ossidata.  “Si può considerare dimostrato che in ogni reazione la quantità della materia resta uguale prima e dopo l’operazione”: enunciando così il principio della conservazione della massa di ogni elemento chimico alla base della chimica.

Finalmente, le reazioni di calcinazione e riduzione furono reinterpretate correttamente:

Metallo + Ossigeno + calore   =>  calce
Calce + calore  =>  Metallo + Ossigeno
Calce + carbone + calore  =>  Metallo + Anidride Carbonica

e… il flogisto scomparve dal vocabolario della chimica moderna!

 

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