016 – La llei de conservació de la massa

La llei de conservació de la massa estableix que la matèria no es crea ni es destrueix en una reacció química: els àtoms presents abans de la reacció són exactament els àtoms presents després, només reordenats en molècules diferents. Antoine Laurent de Lavoisier va establir el principi a la dècada del 1780 pesant recipients de reacció segellats, i és el motiu pel qual qualsevol equació química s'ha d'ajustar i pel qual un químic industrial pot predir la massa de producte que produirà un procés abans de dur-lo a terme.

Demostrar la llei és més difícil del que sembla, perquè una reacció que allibera un gas sembla perdre massa quan es duu a terme en un recipient obert. La massa no ha desaparegut; simplement ha abandonat el plat de la balança. Per tant, la conservació només es pot demostrar en un tancat sistema, un en el qual cada producte, inclosos els gasos, es reté i es pesa amb la resta. Aquest únic requisit experimental és la idea central d'aquest laboratori.

Provareu la llei dues vegades, utilitzant dues reaccions que es comporten de manera molt diferent. A la Part A, el bicarbonat de sodi reacciona amb l'àcid acètic i allibera diòxid de carboni; el gas queda capturat en un globus de goma col·locat sobre la boca d'un matràs Erlenmeyer, i una pinça al coll del globus permet pesar el gas atrapat per si sol un cop acabada la reacció. A la Part B, es barrejen solucions de diclorur de calci i carbonat de sodi i es forma un precipitat sòlid de carbonat de calci; res pot sortir del vas de precipitats, de manera que el balanç de massa tanca exactament. En cada cas, pesareu el sistema abans i després de la reacció, comparareu els totals i expliqueu qualsevol diferència que trobeu.

Objectius educatius

Familiarització amb l'entorn del laboratori

• Localitzeu i identifiqueu la balança electrònica, el vidre de rellotge o la navícula de pesada, el proveta graduada, el matràs Erlenmeyer de 250 mL, els dos gots de precipitats de 50 mL, el globus de goma i la pinça de fusta abans de començar, i reconheixeu quina peça d'aparell fa que el sistema sigui tancat.

Ús d'equipament de protecció

• Porteu guants i protecció ocular quan manipuleu àcid acètic 1 M i les dues dissolucions salines, i controleu una reacció que genera pressió a l'interior d'un recipient tancat sense deixar que el globus se separi del matràs.

Construcció i prova d'un sistema tancat

• Munteu un recipient de reacció estanc als gasos amb un matràs, un globus i una pinça, i expliqueu per què la mateixa reacció feta en un matràs obert semblaria violar la conservació de la massa.
• Peseu el globus i el gas retingut per separat per tal de mesurar directament la massa d'un producte gasós.

Tècnica de pesada quantitativa

• Utilitzeu la funció de tara correctament perquè el recipient de pesada no contribueixi en res a la massa enregistrada d'una pols, i registreu cada massa amb tota la precisió que la balança proporciona (0,01 g).
• Peseu un sistema complet com a un sol objecte, entenent que la pinça, el matràs, el globus, els reactius i l'aire de l'interior formen part del total.

Estequiometria i el reactiu limitant

• Convertir un volum i una concentració en un nombre de mols, identificar quin dels dos reactius s'esgota primer i predir la massa de gas o precipitat que la reacció pot produir.

Interpretació d'un balanç de massa

• Compareu una diferència de massa mesurada amb la precisió de l'instrument i decidiu si una discrepància representa una pèrdua real de matèria o la dispersió ordinària d'una lectura.

Protocol

Part A : La reacció entre el bicarbonat de sodi i l'àcid acètic

1. Pesa el globus de goma amb la balança.
2. Utilitzant la barqueta de pesada, peseu uns 2,2 g de hidrogenocarbonat de sodi ($NaHCO_3$)₃).
3. Introduïu la pols pesada dins del globus de goma.
4. Fixeu la pinça de fusta a la base del matràs.
5. Mesura 25 ml d'àcid acètic (CH₃(COOH) 1M utilitzant el cilindre graduat i aboqueu-lo al matràs Erlenmeyer.
6. Uneix el globus a l'obertura de l'Erlenmeyer, tenint cura de no fer caure el sòlid al líquid.
7. Pesa el sistema (globus, pinça, matràs Erlenmeyer i els dos reactius) abans de la reacció. La massa es troba a la taula de resultats.
8. Desenganxa el clip del globus.
9. En prémer la vareta de vidre sobre el globus, deixeu caure el sòlid dins del matràs Erlenmeyer.
10. Agite suaument la solució fins que estigui completament dissolta fent oscil·lar el matràs d'Erlenmeyer d'esquerra a dreta.
11. Connecta la pinça a la base del globus.
12. Torna a pesar el sistema quan la reacció s'hagi completat. La massa es troba a la taula de resultats.
13. Desconnectar el globus de l'Erlenmeyer i mantenir la pinça fixada a la base del globus.
14. Peseu el globus amb la pinça adjunta.

Part B : La reacció entre el diclorur de calci i el carbonat disòdic

1. Mesura 15 ml de clorur de calci (CaCl₂) 1M₂) solució amb el cilindre graduat.
2. Aboca la solució al vas de precipitats de 50 mL 1.
3. Pesa el vas de precipitats 1 a la balança.
4. Mesura 15 mL de carbonat de sodi (Na₂CO₃) 1M₃) solució utilitzant el cilindre graduat.
5. Aboca la solució al vas de precipitats de 50 mL 2.
6. Pesa el vas de precipitats 2 a la balança.
7. Aboca el contingut del vas d'itió 1 al vas d'itió 2.
8. Remena el contingut del vas de precipitats 2 amb la vareta de vidre.
9. Pesa el recipient 2 després de la reacció i anota la massa a la taula de resultats.

Resultats previstos

Part A — hidrogenocarbonat de sodi i àcid acètic en un matràs tancat

La reacció és una reacció àcid-carbonat que produeix diòxid de carboni, aigua i acetat de sodi:

NaHCO₃(s) + CH₃COOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l) + CO₂(g)

Tots dos reactius estan presents en quantitats comparables, de manera que s'ha d'identificar el reactiu limitant abans de poder predir qualsevol massa de producte. Per a l'àcid, n = c × V = 1,00 mol/L × 0,0250 L = 0,0250 mol. Per al bicarbonat, n = m / M = 2,20 g ÷ 84,01 g/mol = 0,0262 mol. L'àcid acètic s'acaba primer, de manera que determina l'abast de la reacció: 0,0250 mol de CO₂ es produeix, amb una massa de m = n × M = 0,0250 mol × 44,01 g/mol = 1,10 g. Miqueta més de 0,0012 mol (0,10 g) de bicarbonat de sodi queden sense reaccionar al fons del matràs.

El pas 14 aïlla aquest gas. Subtrahint el globus i la pinça del pes final, 9,14 g − 7,50 g − 0,45 g = 1,19 g de gas es reté al globus, enfront dels 1,10 g que permet l'estoquiometria. Les dues xifres coincideixen amb un marge d'uns 8 %. El punt important és la comparació entre 237,09 g i 237,12 g: si la mateixa reacció s'hagués fet en un matràs obert, aproximadament 1,10 g s'haurien escapat i la bàscula hauria mostrat una pèrdua d'uns 0,47 % del total —petita, però molt més gran que la desviació de 0,03 g de la mesura segellada, i fàcilment es podria confondre amb una violació de la llei.

Part B — diclorur de calci i carbonat de sodi en un vas de precipitats obert

Aquesta és una reacció de doble desplaçament (precipitació), impulsada per la molt baixa solubilitat del carbonat de calci:

CaCl₂(aq) + Na₂CO₃(aq) → CaCO₃(s) + 2 NaCl(aq)

S'utilitzen volums iguals de concentracions iguals, de manera que els dos reactius es subministren exactament en la relació 1:1 que requereix l'equació: n = 1,00 mol/L × 0,0150 L = 0,0150 mol de cadascun. Cap dels dos està en excés i la reacció pot, en principi, arribar a completar-se. El precipitat format és m = n × M = 0,0150 mol × 100,09 g/mol = 1,50 g de CaCO₃, deixant 0,0300 mol de NaCl (1,75 g) dissolts en el sobrenedant. Apareix una suspensió tèrbola de color blanc en el moment en què les solucions es troben, i es diposita formant un sòlid blanc fi quan s'atura l'agitació.

El canvi visible és dramàtic —dos líquids transparents es converteixen en una suspensió blanca— i, tanmateix, la balança no es mou gens un cop es té en compte el vas de precipitats. Aquest és exactament el quid de la qüestió: un canvi d'estat i un canvi d'identitat química no són un canvi de massa. Dividir el contingut pel seu volum també dóna les densitats de les dues solucions mare, 16,25 g ÷ 15,0 mL = 1,08 g/mL per al diclorur de calci i 16,59 g ÷ 15,0 mL = 1,11 g/mL per al carbonat de sodi, ambdues més troses que l'aigua pura tal com s'espera de solucions salines 1 M.

Resum de tasques per rang de qualificació

De 9è a 10è grau

• Enfocament — observar que un canvi químic altera l'aparença sense alterar la massa, i aprendre el vocabulari que hi va associat: reactiu, producte, precipitat, sistema tancat, conservació.
• Activitats — porteu a terme ambdues parts, registreu les set masses de la Part A i les tres masses de la Part B a la taula de resultats, descriviu allò que s'observa en el moment de la reacció (formació de bombolles i un globus que s'infla a la Part A, un núvol blanc a la Part B), i indiqueu en una sola frase si la massa ha canviat. Responeu a la pregunta guiatge: on hauria anat a parar el diòxid de carboni sense el globus?

11è curs

• Enfocament — tractar l'experiment de manera quantitativa, amb equacions estequiomètriques ajustades i una predicció basada en mols en lloc d'una comparació qualitativa.
• Activitats — equilibreu totes dues equacions; convertiu 25 mL d'àcid acètic 1 M i 2,20 g de NaHCO₃ en mols i identificar el reactiu limitant; predir la massa de CO₂ i compareu-ho amb els 1,19 g pesats al globus al pas 14; prediu els 1,50 g de CaCO₃ format a la Part B; demostra aritmèticament que 91,25 + 91,59 − 75,00 = 107,84 g i explica per què cal restar la massa d'un bequerel.

12è curs / Nivell universitari

• Enfocament — anàlisi d'errors i interpretació d'una discrepància en lloc de descartar-la.
• Activitats — expressar ambdós balanços de massa com a diferències percentuals i comparar-les amb la resolució del balanç; tenir en compte els 0,09 g pels quals el gas atrapat supera el seu màxim estequiomètric, estimant quanta vapor d'aigua podria contenir un volum de gas saturat a temperatura ambient; utilitzar la llei dels gasos ideals per predir el volum que hauria d'assolir el globus a 101 kPa i 22 °C a partir de n = 0,0250 mol; discutir el CO₂/H₂CO₃/HCO₃⁻ equilibri i quant de carboni pot romandre en solució; i dissenyar una modificació de la Part A que proporcioni un segell hermètic defensable, explicant què milloraria.

Equipament de laboratori

Instruments

• Balança electrònica (amb una llegibilitat de 0,01 g i funció de tara)
• Barqueta de pesada (0,5 g)
• Espàtula
• Globus de goma (7,5 g)
• Pinça de fusta (0,45 g)
• Barra de vidre
• Erlenmeyer de 250 mL (200 g)
• 2 × 50 mL de bequers (75 g cadascun)
• cilindre graduat de 25 ml

Productes

• Bicarbonat de sodi NaHCO₃₃ (pols, 2,2 g)
• Àcid acètic CH₃COOH 1 M (25 mL de solució)
• Diclorur de calci CaCl₂₂ 1 M (15 mL de solució)
• Carbonat de sodi Na₂CO₃ 1 M (15 mL de solució)