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En pro de mantener sus hipótesis libres de sugestiones, decía no seguir maestros y eludir el estudio del modelo atómico de la época y del sistema cartesiano. Sin embargo, el gran aporte de Boyle a la química parte de su comprobación experimental de los principios del Novum Organum Scientiarum (1620) de Francis Bacon.
Puede decirse que Boyle era un alquimista moderno. Convencido de que podría transmutar los metales, un viejo sueño de la antigüedad, realizó experimentos intentando obtener oro, tal y como los alquimistas árabes.
Sin embargo, avanzó hacia una visión mucho más moderna de los elementos, así como de los procesos químicos y físicos. Entendió la diferencia entre mezclas y compuestos, y defendió el estudio químico como un fin en sí mismo, en lugar de una práctica de técnicas luego aplicables a otros campos del saber.
Sus estudios se centraron en la naturaleza de los gases, analizando la combustión y la respiración. Descubrió el rol del oxígeno en ambos casos, a pesar de que, según dejó escrito, su naturaleza sensible le impedía hacer vivisecciones para apreciar cómo éste ingresaba al cuerpo.
Uno de los grandes aportes de Boyle no es a la química, sino a la física: la Ley de Boyle. Esta ley fue formulada tanto por Boyle como por el botánico francés Edme Mariotte de manera independiente en 1662 y 1676 respectivamente.
Es una de las leyes que determinan el comportamiento de los gases. Establece que si la temperatura se mantiene constante, el volumen y la presión de una cierta cantidad de gas tienen una relación inversamente proporcional.
O lo que es lo mismo: si el volumen del gas aumenta, la presión disminuye; si la presión aumenta, el volumen disminuye. Esto dado que la temperatura sea siempre la misma. Matemáticamente, este principio se expresa así: P.V = k, donde k es la constante de temperatura.