LA SCOPERTA DELL’OSSIGENO

Tempo di lettura: 8 minuti

Grazie alle conoscenze che l’uomo ha appreso durante la sua evoluzione, oggi nasciamo con un “bagaglio culturale” già acquisito su cui in genere non poniamo attenzione; avete mai pensato al fatto che qualcuno ha scoperto l’ossigeno? Tutti sappiamo fin da piccolissimi il ruolo importantissimo che gioca l’ossigeno nella vita di tutti gli esseri viventi, ma chi lo ha scoperto?  

Possiamo dire che la chimica sia una scienza “giovane” visto che se ne inizia a parlare non prima del XVII secolo, quando si sviluppò il famoso metodo scientifico che permise di iniziare ad analizzare la materia e le sue trasformazioni allontanando la chimica dall’alchimia.

Quanto appena detto è un punto d’inizio che tuttavia deriva da secoli di studi e applicazioni: seppur inconsciamente, l’uomo è sempre stato accompagnato dalla chimica durante la sua evoluzione.

La scoperta dell’ossigeno rappresenta uno dei momenti più elevati nell’ambito della chimica pneumatica, ovvero il ramo della chimica che studia i gas, dato che è presente in moltissimi composti chimici solidi e liquidi, anche se l’elemento puro si presenta allo stato gassoso. Questa scoperta assume una grande importanza poiché deriva da precedenti sudi sulla natura dell’aria e dei gas.  

Le più importanti reazioni a cui prende parte l’ossigeno elementare sono quelle di combustione, di calcinazione (ossidazione) dei metalli e quelle coinvolte nel processo di respirazione. L’aver individuato un carattere comune a questi tre processi apparentemente non connessi tra di loro, costituì una premessa essenziale per riconoscere l’esistenza dell’ossigeno. 

Nel XVII seecolo nacque la teoria del flogisto con l’intento di spiegare i processi di ossidazione e combustione: le reazioni chimiche erano percepite come variazioni nell’aspetto qualitativo delle sostanze piuttosto che nei parametri quantitativi. Il flogisto era considerato il principio dell’infiammabilità, il costituente comune di tutti i metalli che possono bruciare e che possono essere calcinati. Essendo un principio, la sua presenza era indispensabile perché avvenissero queste reazioni: durante la combustione le sostanze combustibili perdono il flogisto e si riducono di volume e di massa così come, durante la calcinazione, i metalli perdono flogisto e si trasformano in calci, mentre, al contrario, le calci devono combinarsi con il flogisto, per ridursi a metallo. La teoria del flogisto, anche se palesemente errata, era la prima teoria chimica di portata generale, che accostava processi diversi che fino a quel momento non avevano avuto nulla in comune. In tempi brevi venne a costituire un vero e proprio paradigma, nel quale furono inquadrati tutti gli esperimenti e costituì la base interpretativa dei risultati ottenuti. 

È importante parlare della teoria del flogisto per contestualizzare la scoperta dell’ossigeno, visto che per attribuire la scoperta non si  può tener conto soltanto di fattori temporali, ma si dovrà dare maggiore peso alla correttezza dello schema interpretativo nel quale i diversi esperimenti sono stati inseriti.

La maggior parte dei chimici concorda sul fatto che l’ossigeno fu identificato per la prima volta come sostanza a sé stante, indipendentemente da Priestley e Scheele; i risultati di Priestley furono pubblicati per primi, a causa di una colpevole negligenza da parte dell’editore di Scheele.

Scheele era farmacista di professione e chimico per passione; tra il 1771 e il 1772, ottenne e caratterizzò questo gas, ma i suoi esperimenti non furono pubblicati fino al 1777 (in tedesco) e solo nel 1780 in inglese.

Le sue indagini sui gas partivano dall’osservazione che soluzioni ricche in flogisto assorbono una parte dell’aria, lasciando un gas che impedisce la combustione ed è più leggero dell’aria comune. Concluse che l’aria comune è composta da due fluidi, l’aria viziata (verdorbene luft), che non interagisce con il flogisto e l’aria di fuoco (fuerluft), che ne costituisce circa un quarto in peso e interagisce con il flogisto. Per confermare questa ipotesi fece bruciare l’aria infiammabile con l’aria comune in un recipiente chiuso e capovolto su acqua calda. Quando la combustione cessò, l’acqua era risalita nel recipiente, occupando un quarto del volume originale; tuttavia, questo arrangiamento sperimentale non gli consentì di notare la formazione di vapor d’acqua.

Durante la riduzione, le calci estraevano il flogisto dal calore della fiamma, liberando l’aria di fuoco; per poter isolare l’aria di fuoco, Scheele aveva bisogno di qualcosa che estraesse il flogisto dal calore. Individuò questo reattivo nell’acido nitrico. Convertì l’acido nitrico in nitrato, per averlo in forma solida, e lo scaldò alla fiamma, assorbendo i vapori nitrosi. Ottenne così l’aria di fuoco pura, che favoriva la combustione e rigenerava l’aria spoliata (priva di ossigeno). È verosimile che Scheele non abbia colto appieno il significato della propria scoperta anche perché interessato a elaborare una nuova teoria incentrata sul ruolo del fuoco piuttosto che allo studio dei gas.

Priestley era ministro del Culto Unitario e si avvicinò alla filosofia naturale con l’intento di conciliare la fede con la spiegazione dei fenomeni naturali.

Iniziò i suoi studi sulle arie nel 1767 quando andò ad abitare presso una fabbrica di birra, che gli mise a disposizione grossi quantitativi di aria fissa (CO2). Nel 1772 pubblicò il primo di tre volumi dal titolo “Experiments and Observations on Different Kinds of Air”, nel quale descriveva il bagno a mercurio, una tecnica che permette la raccolta dei gas e le differenti arie che era riuscito ad isolare e caratterizzare. Il titolo è indicativo del paradigma entro il quale la chimica pneumatica si andava sviluppando e al quale Priestley aderiva: i gas non erano percepiti come sostanze individuali, ma come differenti modificazioni dell’aria in funzione dei contaminanti che in essa si erano disciolti. Per questo descriveva i differenti tipi di aria senza usare il termine gas, che pure era stato coniato almeno un secolo prima. L’esperimento cruciale con il quale Priestley isolò per la prima volta l’ossigeno elementare gassoso fu effettuato il 1° agosto 1774. Per mezzo di una lente di ingrandimento del diametro di dodici pollici (36 cm) e distanza focale di venti pollici (50 cm), scaldò una piccola quantità di mercurio calcinato per sé (ossido di mercurio) entro una fiala di vetro piena di mercurio e capovolta sul bagno di mercurio. Notò che in questo modo si estraeva con molta facilità un’aria che non era solubile in acqua, ma riaccendeva un fuscello incandescente e consentiva a una candela di bruciare con una fiamma estremamente vigorosa, molto più grande di quella che si forma in aria nitrosa. Priestley non si rese conto delle caratteristiche originali del gas, soprattutto della sua respirabilità, confondendolo con lo spirito nitroso e quindi formulando l’ipotesi che l’ossido di mercurio l’avesse trattenuto durante la sua preparazione. Attraverso altri esperimenti Priestley formulò l’ipotesi che, a differenza dell’aria nitrosa, quest’aria fosse respirabile ed iniziò una serie di esperimenti di conferma: le cavie sopravvissero in essa più a lungo che nell’aria comune, lasciandone ancora abbastanza da consentire la combustione di una candela; lui stesso provò a inalarne una boccata e “sentì il suo petto particolarmente leggero e libero per parecchio tempo dopo”. In conclusione, gli esperimenti di respirazione, combustione e analisi chimica gli consentirono di caratterizzare la nuova aria e di differenziarla da tutte quelle conosciute e quindi di compiere qualche decisivo passo avanti rispetto a Scheele, ma si limitò a ritenerla un particolare tipo di aria e non un gas individualmente caratterizzato.

Il terzo soggetto coinvolto nella disputa sull’attribuzione della scoperta dell’ossigeno fu il francese Lavoisier, che si avvicinò allo studio dei gas nel tentativo di chiarire il meccanismo delle reazioni di combustione e di spiegare perché la calcinazione causasse un aumento in peso dei metalli.

Iniziò la sua ricerca ripetendo gli esperimenti degli altri studiosi, decisione presa non per mancanza di originalità, ma per una più rigorosa interpretazione dei risultati. Mentre ripeteva gli esperimenti si rese conto che durante la calcinazione dei metalli una parte dell’aria abbandonava lo stato gassoso e si combinava con i metalli trasformandoli in calci. Si trattava perciò non di una reazione di decomposizione, nella quale due componenti si separavano, ma di una reazione di combinazione, nella quale l’unione di due sostanze porta a un aumento di massa. Lavoisier concluse che l’aumento in peso fosse dovuto alla “quantità prodigiosa di aria che si fissa con i vapori”. I risultati erano quindi in evidente contrasto con il paradigma che attribuiva all’aria soltanto il ruolo di contenitore.

Nell’ottobre dello stesso anno, Priestley, in visita a Parigi, comunicò di aver isolato una nuova aria dal riscaldamento della calce rossa di mercurio e di quella di piombo, che di riteneva trattarsi di aria nitrosa, anche se risultava insolubile in acqua. Lavoisier trascurò questa scoperta per molti mesi perché il gas in questione non aveva proprietà acide e lui era occupato nello studio delle arie acide e della reazione dei metalli con la parte più acida dell’aria. Praticamente cercava di dimostrare che nella riduzione con carbone, l’aria fissa provenisse dalla calce e non dal carbone e che quindi fosse essa a svilupparsi nel riscaldamento dell’ossido mercurio da solo. Condusse due esperimenti: nel primo mescolando il mercurio calcinato con carbone, dopo un blando riscaldamento della miscela, raccolse su acqua 64 pollici cubici di un gas che aveva tutte le caratteristiche chimiche e fisiche dell’aria fissa (CO2). Siccome lo stesso risultato si otteneva riducendo tutte le calci metalliche, Lavoisier concluse che il mercurio calcinato è una vera calce. Il secondo esperimento fu condotto esattamente nelle stesse condizioni del primo, ma in assenza di carbone. Stavolta occorse una maggiore quantità di calore, ma finalmente la calce si ridusse completamente a metallo, liberando 78 pollici cubici di aria che aveva una densità molto prossima a quella dell’aria comune.  A differenza di quest’ultima non si scioglieva in acqua, non intorbidava l’acqua di calcite, non reagiva con gli alcali. Si convinse perciò che nella riduzione della calce non si era liberata aria fissa, ma la nuova aria scoperta da Priestley. Informato sull’eccellente respirabilità di quest’aria, Lavoisier confermò che nelle calcinazioni non viene assorbita l’aria comune, ma soltanto una porzione di essa, che è più pura e più respirabile. Nel febbraio del 1776 Lavoisier confermava l’ipotesi che l’aria è una miscela di due sostanze gassose: una attiva, pura, eminentemente respirabile, l’altra inerte, che chiamava aria mefitica o mofette. È chiaro che nessuno dei tre scienziati attribuiva all’ossigeno le proprietà che noi gli attribuiamo oggi e le loro interpretazioni sulla sua natura differivano radicalmente, perché facevano riferimento a schemi teorici in netta contrapposizione tra di loro. Priestley cercò di interpretare tutti i fenomeni chimici nel quadro della teoria flogistica, Scheele aveva invece cercato di formulare una nuova teoria della combustione, nella quale il fuoco aveva un ruolo centrale, mentre Lavoisier aveva intuito che la chimica poteva essere radicalmente riformata, se si fosse compresa correttamente la natura dei gas e il ruolo da essi svolto durante le reazioni chimiche.

Nel 1774 Lavoisier diede il nome al nuovo elemento che deriva dal greco oxýs, «acido» e la radice ghen-, che significa «generare», perché al momento della denominazione si riteneva erroneamente che tutti gli acidi richiedessero ossigeno nella loro composizione.

Nel 1777 Scheele lo riconobbe come un componente dell’aria e nel 1781 Lavoisier ne accertò la funzione nei processi di respirazione.

Una scoperta a cui raramente, se non mai in tutta la vita, si pensa, ma che continuamente sfruttiamo, poiché ha permesso di isolare l’ossigeno per sfruttarne le proprietà in ambito medico e industriale come facciamo oggi.

Chiara Carboni

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