Contrastación de hipótesis: El Flogisto

por Abelardo Jurado

Los químicos han creado un vago principio del flogisto que no está definido estrictamente, y que, como consecuencia se acomoda a cualquier explicación en la que se usa. Algunas veces tal principia es pesado y otras no; a veces es solo fuego y otras es fuego combinado con el elemento tierra; a veces pasa a través de los poros de los recipientes y otras no. Explica, al mismo tiempo, la causticidad y 1a no causticidad, la transparencia y la opacidad, los colores y la ausencia de estos. Es un verdadero Proteo que cambia su forma cada minuto. Lavoisier 1795

I. Introducción histórica. La Química es una rama de la ciencia relativamente joven, cierto que hereda conocimientos prácticos de los alquimistas, pero el primer intento serio de construir una teoría sobre la Química fue el de Johann Joachim Beccher (1635–1682). Su obra fundamental fue "Actorum laboratorit chymici" donde describe los elementos constituyentes de los cuerpos: el aire, el fuego, el agua y tres tierras, una de las cuales era inflamable (terra pinguis), otra mercúrica y la tercera fusible o vítrea Sus ideas acerca de la naturaleza y propiedades de las sustancias fueron adoptadas, y modificadas en gran medida, por su discípulo Georg Ernest Stahl (1660–1734). En su obra Fundamenta Chymiæ dogmaticæ et experimentalis, Stahl describió en profundidad todas las sustancias conocidas en esa época así como los procesos más comunes para sus “corrupciones” y combinaciones. De todos los procesos y transformaciones que analizó, los más importantes, desde el punto de vista teórico para nuestro trabajo, son los referentes a la combustión y a la calcinación. Consideraba solo cuatro principios elementales, las tres tierras de Beccher y el agua. A la tierra que Beccher había llamado terra pinguis. Stahl, lo bautizo como “flogisto” (del griego: φλογιστόν: combustible). Tenía la teoría, como su maestro Beccher, de que los cuerpos combustibles son compuestos susceptibles de quemarse por el fuego y que uno de sus componentes se disipaba en el aire durante la combustión, el flogisto. Los no-metales (azufre, fosforo), dejan un ácido al quemarse mientras que los metales (hierro, mercurio) dejan un residuo pulverulento sólido. Este residuo que posee las propiedades de una “tierra” se llamaba la “calx” (cal) del cuerpo combustible. Los puntos fundamentales de la Teoría son:

1) "Todo compuesto o sustancia que al calentarse fuertemente se transforme, debe poseer una materia inflamable en su composición llamada FLOGISTO Φ "

2) "Todo metal es por lo tanto una mezcla de FLOGISTO y CAL, el calor hace prender el flogisto quedando la cal", de tal forma que: Metal + Calor cal + Φ (Calcinación)

La cal obtenida (o un mineral de ese metal) se puede reducir al metal original en presencia de un compuesto rico en flogisto como son el carbón vegetal, negro de humo, azúcar, resina etc. Cal (o mineral) + Compuesto rico en Φ Metal (Reducción)

3) "Toda sustancia capaz de arder, contiene FLOGISTO que escapa con la llama en la combustión".

4) "Todos los metales contienen tanto más FLOGISTO cuando más fácilmente transformables son por la acción del calor".

5) Todos los no metales combustibles están formados por ácido y flogisto. No Metal + Calor acido + Φ (Combustión) El acido obtenido se puede reducir al no metal original en presencia de un compuesto rico en flogisto como son el carbón vegetal, negro de humo, azúcar, resina etc. Acido (+ calor) + Compuesto rico en Φ No Metal (Reducción)

Como el Metal obtenido en 2) y el No-Metal obtenido en 5) no dependen de que la reducción se haga con uno u otro compuesto rico en flogisto “en tanto puedan proveer la cantidad suficiente de calor” Stahl “prueba” que todos los cuerpos combustibles contienen el mismo principio, y ese principio es el “flogisto”. Según la teoría de la combustión de Stahl cuanto más flogisto tenía una sustancia más combustible era. El azufre arde muy bien porque contiene mucho flogisto, sin embargo las cenizas desprovistas de dicha sustancia no pueden arder.

Dada la gran afinidad del flogisto por los metales y siendo estos insolubles en agua, se supuso que el flogisto también sería insoluble en agua. En esa época, la insolubilidad en agua era considerada una propiedad característica de los “cuerpos térreos”. De allí que Beccher y Stahl le adjudicaron al flogisto el carácter térreo.

Esta teoría parecía corroborada por las observaciones realizadas, sin embargo aislar el flogisto resultaba imposible.

La teoría del flogisto se mantuvo unos cien años en lo que Kuhn hubiera denominado “periodo de ciencia normal”, adhiriéndose a este paradigma los químicos más importantes de la época. Empezaron a surgir las primeras anomalías:

En 1762, el metalúrgico y botánico francés Mathieu Tillet, (1714–1791) verificó cuantitativamente el aumento de peso de la calcinación del plomo. Esto aunque le sorprendió, ya que la liberación de flogisto debería reducir el peso de la cal, presentó un informe donde decía que “la explicación de este remarcable hecho no ha sido aún dada pero tengo la esperanza de que en un futuro próximo se pueda suministrar alguna elucidación del tema”. Es decir, esperaba que en el futuro este hecho tuviera explicación dentro del paradigma del flogisto.

Otros como Pierre Joseph Maquer restaron importancia a este aumento de peso.

Otros como el químico inglés Watson, lo consideraron como un principio en vez de cómo una entidad corpórea: “No debemos esperar que la química pueda presentar flogisto extraído de un cuerpo inflamable; porque de igual modo se podría pedir que nos presentaran cierta cantidad de magnetismo, de gravedad o de electricidad”

Otros, aceptaron una hipótesis ad hoc que se considera generalmente como ilegitima y que veremos más adelante: que el flogisto tenía masa negativa, así en los cursos de Química que daba el médico, farmacéutico y químico francés Gabriel-François Venel (1723-1775) explicaba que el flogisto no es atraído por la tierra sino que tiende a elevarse como hace el fuego. Por ello debería tener una masa negativa, que explicaría la disminución de peso en la reducción y el aumento de peso en la calcinación.

Otra de las anomalías en la teoría del flogisto fue encontrada en abril de 1774, por el químico francés Pierre Bayen (1725–1798), quien observó que al calentar cal de mercurio, se forma mercurio metálico y se desprendía un gas ligeramente más denso que el aire y todo ello sin que se necesitara ningún combustible que le entregase su flogisto a la cal. ¿De dónde proviene el flogisto necesario para convertir la cal de mercurio en mercurio metálico?

Priestley repitió posteriormente ese mismo año de forma independiente el experimento de Pierre Bayen y llamo al gas que se formaba "aire desflogistizado". Por contraposición a lo que denominó "aire flogistizado" que era el residuo de aire que quedaba en un recipiente estanco

tras el proceso de combustión. Se sabía por observación desde muy antiguo que cualquier sustancia que está ardiendo, se apaga si la cantidad de aire disponible es limitada.

Henry Cavendish, (1731–1810), físico y químico británico, fue el descubridor de la composición del agua. Todavía bajo el paradigma del flogisto (si bien la teoría modificada que mantenían sobre 1785) afirmaba que el agua está compuesta por aire desflogistizado y al aire inflamable que más tarde Priestley identificaría como el propio flogisto.

aire desflogistizado + aire inflamable (Φ) agua

es decir el agua no es un elemento, como pensaban los padres de la teoría, si no un compuesto.

Las anomalías en la Teoría del flogisto, ya eran lo suficientemente importantes como para que se produjera una crisis.

Esta surgió cuando Priestley viajo a Paris en Octubre de 1774 y visitando a Lavoisier comentó que había descubierto que el aire está formado por dos componentes, uno de los cuales avivaba la combustión y el otro no.

En 1772, diez años después de que lo hiciera Mathieu Tillet, Lavoisier había demostrado que al quemar fósforo o calcinar metales en aire, los productos de estas transformaciones tienen pesos mayores que los materiales originales y adicionalmente a lo observado por Tillet que en cada uno de estos procesos se absorbe una cierta cantidad de aire.

Esto, unido al comentario de Priestley le permitió establecer que lo que se incorporaba a la cal era el “aire desflogistizado” y lo pudo demostrar en un experimento de 1776, ver su Traité Élémentaire de Chimie de 1789. Al nitrógeno lo llamó “azote”. (El nombre “nitrógeno” fue acuñado por Chaptal en 1790 en su obra Élémens de Chymie). Al oxígeno lo llamó en principio “aire vital” para pasar a llamarlo Oxigeno del griego οξυς (oxys) = acido y γειvoμαι (geinomaí) = yo engendro. Por tanto Oxigeno = engendrador de ácidos.

Lavoisier realizó diversos experimentos que refutaban las consecuencias observacionales de la teoría del flogisto, afirmando que esta era incorrecta, puesto que algunos de sus principios o de sus consecuencias estaban en contradicción con la realidad experimental. Tras efectuar diversas combustiones en “aire vital”, resumió los resultados en cuatro conclusiones, que conforman la nueva teoría del Oxigeno: 1) Las sustancias sólo arden en presencia de aire vital. 2) Los no metales, como azufre, fósforo y carbón, al quemar producen ácidos. 3) Por combustión, los metales producen cales con absorción de oxígeno. 4) La combustión no es, de ningún modo, un proceso debido al escape de flogisto, sino a la combinación de la sustancia combustible con oxígeno.

II. Contrastación de hipótesis.

II.a Elementos de la contrastación. La Teoría que vamos a someter a prueba es la de la existencia del flogisto. Hemos expuesto los cinco puntos fundamentales de la Teoría más arriba y que podemos resumir así: Compuesto combustible + Calor Compuesto no combustible + Φ Hipótesis (H) Existe una sustancia, a la que hemos llamamos flogisto, contenida en todos los cuerpos combustibles que es expelida cuando sometemos el cuerpo a calor. Supuestos auxiliares (SA) Vamos a considerar inicialmente solo aquellos que existían al inicio de la teoría a finales del siglo XVII, ya que la evolución del conocimiento en el siglo XVIII gracias a la infinidad de experimentos realizados por los científicos de la época, por ejemplo en la química neumática, hizo que se introdujeran nuevos supuestos auxiliares, en concreto la necesidad de aire para la combustión no fue difícil de incorporar a la Teoría del flogisto sin que por ello podamos considerar ilegítimos estos supuestos ad hoc. Consideraremos pues como SA: Los “principios simples” son cuatro y los mixtos son compuestos formados por esos

principios. Es importante recordar aquí que en su concepción, el agua era principio simple y no compuesto mixto.

Nada anormal pasa, de nada más depende la predicción. Condiciones Iníciales (CI) Los datos empíricos de los alquimistas, de Beccher y Stahl sobre combustión. Cabe aquí

señalar que los alquimistas y los fundadores de la teoría, realizaban experimentación cualitativa, sin darle importancia a la medición.

Predicción (P): Cualquier cuerpo combustible si le sometemos a la acción del calor perderá peso.

Datos, experimentación y observación. El experimento va a consistir en someter una serie de sustancias a la acción del calor, habremos pesado la sustancia antes del experimento Pi y la volveremos a pesar después del mismo Pf, además observaremos que es lo que pasa durante el proceso. Vamos a repetir algunos de los experimentos de Stahl Al quemar madera, se produce una llama intensa, se libera mucho calor y el material se

disipa en gran medida como humo quedando unas cenizas. Pf < Pi Al quemar fósforo, este produce una llama intensa, se libera mucho calor y el material

se disipa como un “humo blanco”. Pf < Pi Si realizamos la combustión del fósforo en un recipiente de vidrio de forma apropiada,

ese “humo blanco” se deposita en el interior del recipiente de vidrio y rápidamente absorbe la humedad atmosférica convirtiéndose en un líquido ácido, ácido fosfórico. Pf > Pi

cuando se calienta al aire un trozo de plomo hasta el rojo sombra, agitando y exponiendo nuevas superficies al aire, se convierte en un pigmento llamado plomo rojo Pf > Pi

II.b Condiciones para la contrastación. Como no se da la predicción veremos la condición relativa a la no ocurrencia de la predicción.

II.c Resultado de la contrastación. El argumento contrario a la hipótesis es deductivo y aparentemente sencillo: Si existe el flogisto entonces habrá pérdida de peso al someter un compuesto a la acción

del calor. No siempre hay pérdida de peso al someter un compuesto a la acción del calor.

No existe el flogisto.

Este argumento aunque valido, no es el que establece la evidencia negativa, ya que debemos incluir en la primera premisa los supuestos auxiliares y las condiciones iníciales: Si existe el flogisto, los principios elementales constituyentes de los cuerpos son los

definidos por Stahl, nada anormal pasa, y las CI son correctas, entonces habrá pérdida de peso al someter un compuesto a la acción del calor.

No siempre hay pérdida de peso al someter un compuesto a la acción del calor. O no existe el flogisto, o los principios elementales constituyentes de los cuerpos no son

los definidos por Stahl o algo anormal pasa, o las CI no son correctas. Para que el argumento refutador [REF] sea valido debería adoptar esta forma: Si existe el flogisto, los principios elementales constituyentes de los cuerpos son los

definidos por Stahl, nada anormal pasa, y las CI son correctas, entonces habrá pérdida de peso al someter un compuesto a la acción del calor.

No siempre hay pérdida de peso al someter un compuesto a la acción del calor. los principios elementales constituyentes de los cuerpos son los definidos por Stahl,

nada anormal pasa, y las CI son correctas No existe el flogisto.

Estrategias ad hoc Cuando se empezaron a producir las primeras anomalías y no existiendo otra teoría alternativa todavía, era lógico que los químicos trataran de añadir o modificar los SA. Veamos primero el aumento de peso y situémonos en 1762, cuando Mathieu Tillet, verificó cuantitativamente el aumento de peso de la calcinación del plomo. El supuesto adicional de que el flogisto tiene masa negativa no se introduce para defenderse de la refutación de Lavoiser ya que esta fue propuesta hacia 1779 y no se publico hasta 1789 en su “Traité Élémentaire de Chimie”. Por tanto se introdujo para tratar de explicar una anomalía de la teoría. Además no creo que sea correcto decir que los químicos de la época postulaban una masa negativa con las implicaciones que una masa negativa tendría de repulsión de la masa positiva. Dudo hasta que los químicos de la época tuvieran en general claro la diferencia entre masa y peso, ya que la Ley de Newton era muy reciente y los químicos en general provenían de otras ramas científicas como la medicina, botánica o metalurgia, raramente lo hacían desde la física, salvo el caso de Lavoisier. Seamos generosos con los químicos de la época y pensemos que lo que querían decir era que el flogisto pesaba menos que el aire, ya que el efecto práctico seria el mismo. Si tenemos en un recipiente herméticamente cerrado gas menos denso que el aire y lo pesamos, dejamos escapar parte del gas y lo volvemos a pesar, pesará más después de liberar gas. Aceptemos pues el SA introducido ad hoc como legitimo en 1762.

III. Consideraciones finales No considero que la contrastación crucial de la “masa negativa”. (o llamémosla simplemente más importante) que una vez Lavoisier expuso su teoría del oxigeno fuera la única para acabar con la teoría del flogisto. Pienso más bien que fue el cumulo de modificaciones e introducciones en los SA para ir explicando las distintas anomalías que iban apareciendo en la teoría a lo largo del siglo XVIII según las investigaciones de los químicos iban avanzando, tanto en el conocimiento de los gases, como del agua. La descomposición del agua fue clave para el fin de la teoría, solo Priestley entre los grandes químicos de la época se mantuvo fiel a ella hasta su muerte en 1804. Las causas de que todos los químicos se fueran pasando a la teoría del Oxigeno a partir de 1789 se debe pues a un conjunto de causas: Respondía a todos los conocimientos sobre reacciones químicas de una manera mucho más

simple, elegante e integradora que la teoría modificada del flogisto. Presentaba gran coherencia interna. Explicaba el aumento de peso en las combustiones, por lo que a partir de ser enunciada por

Lavoisier, mantener el supuesto ad hoc del peso negativo, si se convierte en “ilegitimo”, o buscar otras estrategias ad hoc para justificar que al captar flogisto los cuerpos no ganaran peso, Priestley en 1790 escribía: si fuera posible encontrar una cal perfecta, que no sublimase parcialmente o no se dispersase por el calor necesario en el proceso, no tendría dudas de que la cantidad de aire inflamable (=Φ) absorbida sería suficiente para aumentar su peso.”

La reducción de la cal de mercurio (Cinabrio=HgS) a mercurio metálico por simple calentamiento sin necesidad de ningún compuesto “rico en flogisto” fue una anomalía jamás explicada por la teoría del flogisto ni siquiera por la modificada y era muy fácilmente explicable por su teoría rival. (HgS) + O2 → Hg + SO2↑

Modified Phlogiston Theory (about 1785) Hydrogen = phlogiston (often carrying water); Oxygen = dephlogisticated air; Water = dephlogisticated air + phlogiston; Nitrogen = completely phlogisticated air;

Common air = partially phlogisticated air carrying water; Metal = calx +phlogiston - water; Calx = the base of a pure earth + water; Charcoal = phlogiston + ash + water.