[Ciencias de Joseleg] [Química] [La materia] [El átomo químico] [Ejercicios resueltos] [Introducción] [Generalidades] [El atomismo filosófico] [Introducción a las leyes ponderales] [Ley de la conservación de la masa] [Ley de las proporciones definidas] [Ley de las proporciones recíprocas] [Ley de las proporciones múltiples] [Teoría atómica de Dalton] [Postulado de composición] [Postulado de identidad atómica] [Postulado de identidad molecular] [Postulado de asociación] [Postulado de la ecuación química] [Pesos atómicos] [La hipótesis de Avogadro] [La técnica de Cannizzaro] [Del molécula-gramo al mol] [Del mol a la cantidad de sustancia] [Historia de la teoría cinética] [Modelo matemático de la teoría cinética] [Estequiometría de composición] [Ley de Dulong y Petit] [Referencias]
En física y química, la ley de conservación de la masa o
principio de conservación de la masa establece que, para cualquier sistema
cerrado a todas las transferencias de materia y energía, la masa del sistema debe permanecer constante en el
tiempo, ya que la masa del sistema no puede cambiar, por lo que la
cantidad no se puede agregar ni quitar. Por lo tanto, la cantidad de masa se
conserva en el tiempo.
La ley implica que la masa no puede crearse ni destruirse,
aunque puede reorganizarse en el espacio, o las entidades asociadas con ella
pueden cambiar de forma. Por ejemplo, en las reacciones químicas, la masa de
los componentes químicos antes de la reacción es igual a la masa de los
componentes después de la reacción. Así, durante cualquier reacción química y
proceso termodinámico de baja energía en un sistema aislado, la masa total de
los reactivos o materiales de partida debe ser igual a la masa de los
productos.
El concepto de conservación de la masa se usa ampliamente en
muchos campos, como la química, la mecánica y la dinámica de fluidos.
Históricamente, la conservación de la masa en las reacciones químicas fue
demostrada de forma independiente por Mikhail Lomonosov y luego redescubierta
por Antoine Lavoisier a fines del siglo XVIII. La formulación de esta ley fue
de crucial importancia en el progreso de la alquimia a la moderna ciencia
natural de la química.
En realidad, la conservación de la masa solo se mantiene
aproximadamente y se considera parte de una serie de supuestos en la mecánica
clásica. La ley debe modificarse para cumplir con las leyes de la mecánica
cuántica y la relatividad especial bajo el principio de equivalencia
masa-energía, que establece que la energía y la masa forman una cantidad
conservada. Para sistemas muy energéticos, se muestra que la conservación de
solo la masa no se cumple, como es el caso de las reacciones nucleares y la
aniquilación de partículas-antipartículas en la física de partículas.
La masa tampoco se conserva generalmente en los sistemas
abiertos. Tal es el caso cuando se permiten varias formas de energía y materia
dentro o fuera del sistema. Sin embargo, a menos que estén involucradas la
radiactividad o las reacciones nucleares, la cantidad de energía que escapa (o
ingresa) a sistemas como el calor, el trabajo mecánico o la radiación
electromagnética generalmente es demasiado pequeña para medirse como una
disminución (o aumento) en la masa del sistema. Para sistemas que incluyen
grandes campos gravitatorios, se debe tener en cuenta la relatividad general;
por tanto, la conservación de masa-energía se convierte en un concepto más
complejo, sujeto a diferentes definiciones, y ni la masa ni la energía se
conservan tan estricta y simplemente como en el caso de la relatividad
especial.
Los filósofos hindúes y griegos
Ya en el año 520 a.
C., la filosofía jainista, una filosofía no creacionista basada en las
enseñanzas de Mahavira (Bose, 2015), afirmó que el universo y sus componentes,
como la materia, no se pueden destruir ni crear. Una idea importante en la
filosofía griega antigua era que "Nada
viene de la nada", por lo que lo que existe ahora siempre ha
existido: ninguna materia nueva puede surgir donde antes no existía. Una declaración
explícita de esto, junto con el principio adicional de que nada puede
convertirse en nada, se encuentra en Empédocles (c. Siglo IV a. C.): "Porque
es imposible que algo venga a ser de lo que no es, y no puede ser". ser
provocado o oído hablar de que lo que es debe ser completamente destruido"
(Kirk, Raven,
& Schofield, 1983). Epicuro
declaró otro principio de conservación alrededor del siglo III a. C., quien
escribió al describir la naturaleza del Universo que "la totalidad de
las cosas siempre fue tal como es ahora, y siempre será" (Leroux, 1992).
Primeros estudios científicos
En el siglo XVIII, el principio de conservación de la masa
durante las reacciones químicas se usaba ampliamente y era una suposición a
priori importante durante los experimentos, incluso antes de que se
estableciera formalmente una definición o una prueba, como se puede ver en los
trabajos de Joseph Black, Henry Cavendish y Juan Rey (Whitaker, 1975). El primero en esbozar el principio fue Mikhail
Lomonosov en 1756 (Pomper, 1962).
Es posible que lo haya demostrado mediante experimentos y ciertamente discutió
el principio en 1748 en correspondencia con Leonhard Euler (Pismen, 2018),
aunque su afirmación sobre el tema a veces es cuestionada (Usitalo, 2013).
Lavoisier
Posteriormente, Antoine Lavoisier llevó a cabo una serie de
experimentos más refinados, quien expresó su conclusión en 1773 y popularizó el
principio de conservación de la masa (Barrotta, 2000; de Andrade Martins, n.d.; Holmes, 1985). Las demostraciones del
principio desmintieron la entonces popular teoría del flogisto que decía que se
podía ganar o perder masa en los procesos de combustión y calor.
La conservación de la masa fue oscura durante milenios
debido al efecto de flotabilidad de la atmósfera terrestre sobre el peso de los
gases emitidos en muchas reacciones de combustión y desplazamiento ácido-base,
por lo que, a parte de una balanza, se requiere que la reacción ocurra en un
sistema que impida el escape de materia.
Por ejemplo, un trozo de madera pesa menos después de
quemarlo; esto parecía sugerir que parte de su masa desaparece, o se transforma
o se pierde en forma de calor, lo cual constituía parte de la teoría del
flogisto.
El experimento de Landolt
Sin embargo, y aunque los libros de texto no lo indiquen, la
cuestión de la ley de la conservación de la masa quedó abierta un par de años más
después de los experimentos de Lavoisier, pues los diseños experimentales
hechos hasta ese momento caían en razonamientos circulares (Jensen, 2019).
Figura 5‑1. (A) Hans Landolt (1831-1910) (B) Una
fotografía de la balanza de Landolt con dos de sus tubos de reacción
contrapesados: el de la izquierda antes de la reacción y el de la derecha
después de la reacción. Los tubos siempre se pesaron uno contra el otro en
pares para compensar la flotabilidad-boyancia del aire. (C ) Los dos reactivos,
A y B, estaban en brazos separados del tubo antes de la inversión para iniciar
la reacción química.
No fue sino hasta 1893 que el químico físico suizo-alemán
Hans Landolt llevó a cabo una serie de experimentos diseñados para probar
explícitamente la ley. Usando una balanza especialmente diseñada y tubos de
reacción sellados herméticamente, Landolt probó cuatro sistemas de reacción
diferentes para la conservación de la masa (Jensen, 2019):
👉 La reacción entre el
sulfato de hierro y el sulfato de destilación para producir plata y trisulfato
de dihierro, donde el acto de reacción se indicó visualmente mediante la
formación de un espejo de plata :
2Fe(SO4)(aq) + Ag2(SO4)(aq)
➝ 2Ag(s) + Fe2(SO4)3(ac)
👉 La reacción entre el
yodato de hidrógeno y una mezcla de ácido sulfúrico/yoduro de potasio para producir
diyodo, hidrogenosulfato de potasio y agua, donde el acto de reacción se indicó
visualmente por la formación del color marrón del diyodo acuoso:
H(IO3)(aq)
+ 5H2(SO4)(aq) + 5KI(aq) ➝ 3I2(aq) + 5K(HSO4)(aq)
+ 3H2O(l)
👉 La reacción entre el
sulfito disódico y el diyodo para producir yoduro de sodio y ditonato disódico,
donde el acto de reacción se indicó visualmente por la desaparición del color
marrón del diyodo acuoso:
2Na2(SO3)(aq)
+ I2(aq) ➝ 2NaI(aq ) + Na2(S2O6)(ac)
👉 La reacción entre el
hidrato de cloral y el hidróxido de potasio para producir cloroformo, formiato
de potasio y agua, donde el acto de reacción se indicó visualmente por la
formación de una capa de cloroformo insoluble en agua:
CCl3CH(OH)2(aq)
+ K(OH) (aq) ➝ HCCl3(l) + K(CHOO)(aq) + H2O(l)
Se encontró que las diferencias de masa antes y después de
la reacción eran siempre del orden de entre 10-4 y 10-6 gramos y, por lo tanto,
eran el posible resultado de un error experimental, lo que lleva a Landolt a
concluir que: Ninguna de las reacciones empleadas muestra un cierto cambio
de peso. Si, después de todo, ocurrieran tales cambios, deben ser tan
pequeños que no tengan importancia práctica para el químico (Jensen, 2019).
En este orden de ideas, el lector siempre debe tener en cuenta que los
experimentos verdaderos, por muy bien diseñados que estén, siempre tienen
cierto ruido debido a errores experimentales, por ejemplo, que el operario mida
de manera incorrecta la masa de los reactivos, es por esto que actualmente los
experimentos siempre se hacen con un mínimo de tres réplicas y se aplican métodos
estadísticos.
Figura 5‑2. Variación
escolar idealizada del experimento de Landolt. El contenedor cerrado
evita que los gases de la combustión invisibles escapen, permitiendo medir la
masa final total sin que escape materia.
Consecuencias
Una vez comprendida, la conservación de la masa fue de gran
importancia en el progreso de la alquimia a la química moderna. Una vez que los
primeros químicos intuyeron a priori que
las sustancias químicas nunca desaparecían, sino que solo se transformaban en
otras sustancias con el mismo peso, estos científicos pudieron por primera vez
embarcarse en estudios cuantitativos de las transformaciones de las sustancias.
La idea de la conservación de la masa más la suposición de que ciertas
"sustancias elementales" tampoco podían transformarse en otras
mediante reacciones químicas, a su vez condujo a una comprensión de los
elementos químicos, así como a la idea de que todos los procesos y
transformaciones químicos (como la quema de y reacciones metabólicas) son
reacciones entre cantidades o pesos invariantes de estos elementos químicos.
Siguiendo el trabajo pionero de Lavoisier, los exhaustivos
experimentos de Jean Stas y Landolt avalaron la consistencia de esta ley en las
reacciones químicas (Wang, 2017),
aunque se realizaron con otras intenciones. La ley de la conservación de la masa en la actualidad se emplea para
sistemas no relativistas y no nucleares, los cuales afortunadamente constituyen
la inmensa mayoría de procesos químicos experimentales e industriales. Por lo
anterior, la ley de la conservación de la masa puede definirse para un sistema
no nuclear/relativista como: La masa no se crea
ni se destruye, solo se transforma.
Propiedades aditivas de la conservación de la masa
La ley de la conservación de la masa tiene una multitud de
definiciones y consecuencias que se retomarán en capítulos posteriores, por el
momento la definiremos como: la masa total de un sistema m es igual a la
suma de las masas individuales de los componentes mi de dicho
sistema.
Al ser una suma, es importante recalcar que la ley de la
conservación de la masa está sometida a todas las propiedades de la adición
tales como:
👉 conmutación: dos
sistemas pueden tener la misma masa total, aunque sus partículas individuales
tengan masas diferentes.
👉 asociación total:
podemos agrupar algunas partes del sistema para sumarlas de manera acelerada,
esto es particularmente cierto si las partículas poseen la misma masa, en cuyo
caso podemos usar una multiplicación. Así, por ejemplo, si todas las masas de
la ecuación 4.1 tuvieran el mismo valor, entonces podemos reescribir la
expresión como el producto del número de partes (N) por la masa común (mi):
👉 asociación parcial:
Un sistema puede estar dividido en partes asociables por masa, es decir un
sistema tiene varios tipos de partes, cada una rexpidiéndose una cierta
cantidad de veces.
De lo anterior se concluye que la forma matemática de ley de
la conservación de la masa cambia dependiendo de cómo se organizan las
partículas que componen a un sistema, y puede variar entre sumas simples y
multiplicaciones.
Propiedad de suma cero para un cambio de estado
Otra consecuencia de la ley de la conservación de la masa es
que la masa total de un sistema cerrado no
cambia, aunque el sistema cambie su estado desde un momento inicial
a un momento final, por lo que se puede igual a cero.
Conservación de la masa en una reacción
química ideal
Aplicando las propiedades generales anteriores, definiremos
que una reacción química es un cambio en el estado de un sistema, donde la masa
se reacción inicial es la suma de las masas de cualquier sustancia al principio
de la reacción, y la masa de reacción final es la suma de las masas de
cualquier sustancia al final de la reacción.
En un sistema complejo como los de equilibrio químico, la
diferencia entre productos y reactivos es ambigua, por lo que se debe tener en
cuenta a todas las sustancias de reacción posibles presentes en el sistema, sin
embargo, dado que estamos iniciando, asumiremos una reacción no reversible sin
sobrantes o faltantes, donde la masa de reacción inicial está definida
únicamente por las masas iniciales de los reactivos, y la masa de reacción
final está definida únicamente por la masa final de los productos.
En estas situaciones ideales, las marcas de inicio y final
se hacen innecesarias, y simplemente nos referimos a las masas de reactivos y
productos.
Por lo que la ley de la conservación de la masa de este tipo
de reacciones puede escribirse de dos formas:
Ejemplo. Si
al calentar 10.0 gramos de carbonato de calcio (CaCO3) se produce
4.4 gramos de dióxido de carbono (CO2) y 5.6 de monóxido de calcio
(CaO), demuestre que estas observaciones están de acuerdo con la ley de la
conservación de la masa.
Ejemplo. Cierta cantidad de clorato de potasio se
descompone produciendo 1.9 g de oxígeno y 2.96 g de cloruro de cloruro de
potasio. Determine la masa de clorato de potasio que se descompuso.
Ejemplo. Cuando 4.2 g de NaHCO3 se
adiciona a una solución de CH3COOH que pesaba 10 g se puede observar
la liberación de 2.2 g de CO2. El residuo pesa 12.0 g. Indique como
es que estas observaciones son congruentes con la ley de la conservación de la
masa. Reactivos y productos suman cero.
Ejemplo. Cuando 6.3 g de NaHCO3 se
adiciona a una solución de CH3COOH que pesaba 15 g. El residuo pesa
18.0 g. Calcular la masa de CO2 liberada. 3.3 g.
Matamala y Gonzáles
Ejercicio 1.8. En el óxido férrico Fe2O3
¿cuantos moles de oxígeno atómico entran por cada 2,8 gramos de hierro?
Química
la ciencia central 13
Ejercicio 2.1-página-91. En un experimento, 7.0 g de nitrógeno reaccionaron con exactamente 16.0 g de oxígeno para formar un solo compuesto. ¿Cuál sería la masa total del compuesto? (a) 7.0 g (b) 16 g (c) 23 g
Conservación de la masa en una reacción
química no-ideal
Si la ley de la conservación de la masa se aplica únicamente
a situaciones ideales, pues aplicarla es muy sencillo, sin embargo, la realidad
dista mucho de la idealidad, por ejemplo, en una reacción química, puede
ocurrir que:
👉 el reactor tenga
contaminantes de productos de una reacción previa, por lo que la masa de
reacción inicial contendrá cierta masa de producto diferente de cero.
👉 uno de los reactivos se
encuentra en exceso, por lo que la masa final del reactivo es diferente de
cero.
👉 o las dos situaciones
simultáneas anteriores.
Para estas situaciones si es importante usar la simbología
de estado inicial-final que introdujimos en el capítulo de gases.
DEMOSTRACION. Expresar
la ley de la conservación de la masa para una reacción incompleta que inicia
con cierta cantidad de producto ya generado por una reacción previa del mismo
tipo.
En la ecuación anterior tenemos dos términos que normalmente no tenemos en cuenta ya que los asumimos idealmente como ceros, que son la masa final de los reactivos (mr) y la masa inicial de los productos (mp°). De hecho, igualando estos dos términos a cero recuperaremos la ecuación 5.9. Aunque la ecuación 5.11 parece innecesariamente complicada, nos permite evaluar sistemas que se desvían de la idealidad, es decir, sistemas donde la mezcla de reactivos NO se consume completamente, que ocurren en reactores que no se limpian adecuadamente.
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