Descubrimiento del oxígeno

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Cuando Joseph Priestley descubrió el oxígeno en 1774, respondió a las antiguas preguntas de por qué y cómo arden las cosas. Inglés de nacimiento, Priestley estaba profundamente involucrado en la política y la religión, así como en la ciencia.

El oxígeno es el elemento químico de símbolo O y número atómico 8. Pertenece al grupo de los calcógenos de la tabla periódica, es un no metal muy reactivo y un agente oxidante que forma fácilmente óxidos con la mayoría de los elementos y con otros compuestos. Después del hidrógeno y el helio, el oxígeno es el tercer elemento más abundante en el universo por su masa. A temperatura y presión estándar, dos átomos del elemento se unen para formar dioxígeno, un gas diatómico incoloro e inodoro con la fórmula O2. El oxígeno diatómico gaseoso constituye en la actualidad el 20,95% de la atmósfera terrestre, aunque esta cifra ha variado considerablemente durante largos periodos de tiempo. El oxígeno constituye casi la mitad de la corteza terrestre en forma de óxidos.

Primeros experimentos

Hace unos 2.500 años, los antiguos griegos identificaron el aire -junto con la tierra, el fuego y el agua- como uno de los cuatro componentes elementales de la creación. Esta noción puede parecer ahora encantadoramente primitiva. Pero tenía mucho sentido en aquella época, y había tan pocas razones para discutirla que la idea persistió hasta finales del siglo XVIII.

Filón de Bizancio, un mecánico griego del siglo II a. C., realizó uno de los primeros experimentos sobre la relación entre la combustión y el aire. Philo observó en su libro «Pneumatica» que al invertir el recipiente en una vela encendida y rodear el cuello del recipiente con agua, parte del agua subiría al cuello. Philo especuló erróneamente que parte del aire en el contenedor se convirtió en el elemento fuego y, por lo tanto, podría escapar a través de los orificios del contenedor.

A finales del siglo XVII, Robert Boyle demostró que el aire es necesario para la combustión. El químico británico John Mayow (1641-1679) perfeccionó este trabajo al demostrar que el fuego requiere solo una parte del aire, al que llamó spiritus nitroaereus. En un experimento, encontró que, al poner un ratón o una vela encendida en un recipiente cerrado sobre la superficie del agua, antes de apagarse, sube y reemplaza una cuarta parte del aire. A partir de ahí, dedujo que el nitroaereus se consumía al respirar y al arder.

Mayow observó que el antimonio aumenta de peso cuando se calienta y dedujo que el llamado nitroaereus debe combinarse con él. Él también dedujo que los pulmones separan el nitroaereus del aire y luego lo transfieren a la sangre. Para Mayow, el calor y el movimiento muscular de los animales son el resultado de la reacción del nitroaereus con ciertas sustancias en el cuerpo. Estos y otros experimentos y pensamientos fueron publicados en su obra «Tractatus duo» en su libro «De respiratione» en 1668.

Equipo utilizado por Mayow en los experimentos sobre combustión
Equipo utilizado por Mayow en los experimentos sobre combustión

El oxígeno y la teoría del flogisto

Robert Hooke, Ole Borch, Mikhail Lomonosov y Pierre Bayen en los siglos XVII y XVIII produjeron oxígeno en diferentes experimentos, pero nadie pensó que fuera un elemento químico. Esto puede deberse en parte a la ubicuidad de la teoría que buscaba explicar la combustión y la corrosión, la llamada teoría del flogisto.

La teoría del flogisto fue formulada por el alquimista alemán J. J. Becher en 1667 y modificada por el químico Georg Ernst Stahl en 1731. Según ellos, todos los materiales combustibles estaban formados por dos partes. Una parte, llamada flogisto, se desprendía cuando se quemaba la sustancia que lo contenía, mientras que la parte desflogística se consideraba su verdadera forma, o calx

En aquellos tiempos se creía que los materiales altamente combustibles que dejaban pocos residuos, como la madera o el carbón, estaban formados mayoritariamente por flogisto; por otro lado, las sustancias incombustibles susceptibles a la corrosión, como el hierro, contenían muy poco flogisto. El aire no fue incluido de alguna manera en la teoría del flogisto, ni se realizaron experimentos cuantitativos iniciales para comprobar la teoría; en su lugar, se basó en observaciones de lo que ocurre cuando algo arde, que la mayoría de los objetos comunes parecen volverse más ligeros y parecen perder algo en el proceso.

Camino al descubrimiento

Uno de los primeros en reconocer la existencia del oxígeno fue el alquimista, filósofo y médico polaco Michael Sendivogius (Michał Sędziwój) en su obra De Lapide Philosophorum Tractatus duodecim e naturae fonte et manuali experientia depromti (1604) describió una sustancia contenida en el aire, refiriéndose a ella como «cibus vitae» (alimento de la vida).

Alquimista Sendivogius, óleo sobre tabla de Jan Matejko
Alquimista Sendivogius, óleo sobre tabla de Jan Matejko

Sendivogius, durante sus experimentos realizados entre 1598 y 1604, reconoció correctamente que la sustancia equivale al subproducto gaseoso liberado por la descomposición térmica del nitrato de potasio. El aislamiento del oxígeno y la asociación adecuada de la sustancia a la parte del aire necesaria para la vida da suficiente peso al descubrimiento del oxígeno por parte de Sendivogius Sin embargo, el aporte de Sendivogius fue frecuentemente negado por generaciones de científicos y químicos que le sucedieron.

También se suele afirmar que el oxígeno fue descubierto por el farmacéutico sueco Carl Wilhelm Scheele. En 1771-2 produjo oxígeno gaseoso calentando óxido mercúrico (HgO) y varios nitratos. Scheele llamó al gas «aire de fuego» porque era entonces el único agente conocido que favorecía la combustión. Escribió un relato de este descubrimiento en un manuscrito titulado Tratado sobre el aire y el fuego, que envió a su editor en 1775. Ese documento se publicó en 1777.

El padre del oxígeno, Joseph Priestley

Retrato de Joseph Priestley por Ellen Sharples (1794)
Retrato de Joseph Priestley por Ellen Sharples (1794)

Al mismo tiempo que los trabajos de Scheele, el 1 de agosto de 1774, un experimento llevado a cabo por el clérigo británico Joseph Priestley concentró la luz solar sobre óxido mercúrico contenido en un tubo de vidrio, que liberó un gas que denominó «aire desflogisticado». Observó que las velas ardían con más brillo en el gas y que un ratón era más activo y vivía más tiempo mientras lo respiraba.

Después de respirar él mismo el gas, Priestley escribió: «La sensación que me produjo en los pulmones no fue sensiblemente diferente a la del aire común, pero me pareció que mi pecho se sintió peculiarmente ligero y fácil durante algún tiempo después«. Priestley publicó sus descubrimientos en 1775 en un artículo titulado «An Account of Further Discoveries in Air«, que se incluyó en el segundo volumen de su libro titulado Experiments and Observations on Different Kinds of Air (Experimentos y observaciones sobre diferentes tipos de aire). Debido a que publicó sus descubrimientos primero, se suele dar prioridad a Priestley en el descubrimiento.

Lavoisier entra al ruedo

Posteriormente, el químico francés Antoine Laurent Lavoisier afirmó haber descubierto la nueva sustancia de forma independiente. Priestley visitó a Lavoisier en octubre de 1774 y le contó su experimento y cómo liberó el nuevo gas. Scheele también había enviado una carta a Lavoisier el 30 de septiembre de 1774, en la que describía su descubrimiento de la sustancia hasta entonces desconocida, pero Lavoisier nunca acusó recibo de la misma. (Una copia de la carta se encontró entre las pertenencias de Scheele después de su muerte).

Antoine Lavoisier realizó los primeros experimentos cuantitativos adecuados sobre la oxidación y dio la primera explicación correcta del funcionamiento de la combustión. Utilizó estos y otros experimentos similares, todos ellos iniciados en 1774, para desacreditar la teoría del flogisto y demostrar que la sustancia descubierta por Priestley y Scheele era un elemento químico.

En un experimento, Lavoisier observó que no se producía un aumento general de peso cuando se calentaba estaño y aire en un recipiente cerrado y observó que el aire entraba a toda prisa cuando abría el recipiente, lo que indicaba que parte del aire atrapado se había consumido. También observó que el peso del estaño había aumentado y que ese aumento era igual al peso del aire que volvía a entrar. Éste y otros experimentos sobre la combustión quedaron documentados en su libro Sur la combustion en général, publicado en 1777, en el que demostró que el aire es una mezcla de dos gases: el «aire vital», esencial para la combustión y la respiración, y el azote (Gk. ἄζωτον «sin vida»), que no soportaba ninguno de los dos. Posteriormente, el llamado azote se convirtió en nitrógeno en inglés y en español, aunque ha conservado el nombre anterior en francés y en varias otras lenguas europeas.

Lavoisier cambió el nombre de «aire vital» por el de oxygène en 1777, a partir de las raíces griegas ὀξύς (oxys) (ácido, literalmente «agudo», por el sabor de los ácidos) y -γενής (-genēs) (productor, literalmente engendrador), porque creía erróneamente que el oxígeno era un componente de todos los ácidos. Los químicos (como Sir Humphry Davy en 1812) acabaron por determinar que Lavoisier se equivocaba en este sentido (el hidrógeno es la base de la química de los ácidos), pero para entonces el nombre estaba consolidado.

Consolidación del oxígeno como elemento

La hipótesis atómica original de John Dalton suponía que todos los elementos eran monatómicos y que los átomos de los compuestos tendrían normalmente las proporciones atómicas más simples entre sí.

Por ejemplo, Dalton supuso que la fórmula del agua era HO, lo que llevó a la conclusión de que la masa atómica del oxígeno era 8 veces la del hidrógeno, en lugar del valor moderno de aproximadamente 16. En 1805, Joseph Louis Gay-Lussac y Alexander von Humboldt demostraron que el agua está formada por dos volúmenes de hidrógeno y uno de oxígeno; y en 1811 Amedeo Avogadro había llegado a la interpretación correcta de la composición del agua, basándose en lo que ahora se llama ley de Avogadro y en las moléculas elementales diatómicas de esos gases.

Separando el aire

A finales del siglo XIX, los científicos se dieron cuenta de que se podía licuar el aire y aislar sus componentes comprimiéndolo y enfriándolo. Utilizando un método en cascada, el químico y físico suizo Raoul Pierre Pictet evaporó dióxido de azufre líquido para licuar el dióxido de carbono, que a su vez se evaporó para enfriar el gas oxígeno lo suficiente como para licuarlo.

El 22 de diciembre de 1877 envió un telegrama a la Academia Francesa de Ciencias de París anunciando el descubrimiento del oxígeno líquido. Sólo dos días después, el físico francés Louis Paul Cailletet anunció su propio método de licuar el oxígeno molecular. Sólo se produjeron unas pocas gotas del líquido en cada caso y no se pudo realizar un análisis significativo. El 29 de marzo de 1883, los científicos polacos de la Universidad Jagellónica Zygmunt Wróblewski y Karol Olszewski licuaron por primera vez el oxígeno en un estado estable.

Pero no fue sino hasta 1891, que el químico escocés James Dewar consiguió producir suficiente oxígeno líquido para su estudio. El primer proceso comercialmente viable para producir oxígeno líquido fue desarrollado de forma independiente en 1895 por el ingeniero alemán Carl von Linde y el británico William Hampson. Ambos bajaron la temperatura del aire hasta que se licuó y luego destilaron los gases que lo componían hirviéndolos de uno en uno y capturándolos por separado. Más tarde, en 1901, se utilizó por primera vez la soldadura oxiacetilénica quemando una mezcla de acetileno y O2. Este método de soldadura y corte de metales se convirtió posteriormente en algo habitual.

Muestra de oxígeno liquido en ebullición
Muestra de oxígeno liquido en ebullición

En 1923, el científico estadounidense Robert H. Goddard fue la primera persona en desarrollar un motor cohete que quemaba combustible líquido; el motor utilizaba gasolina como combustible y oxígeno líquido como oxidante. Goddard hizo volar con éxito un pequeño cohete de combustible líquido a 97 km/h el 16 de marzo de 1926 en Auburn, Massachusetts, EE.UU.

Para más información Joseph Priestley and the Discovery of Oxygen

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