016 – La ley de la conservación de la masa

La ley de conservación de la masa establece que la materia no se crea ni se destruye en una reacción química: los átomos presentes antes de la reacción son exactamente los átomos presentes después de ella, solo que reorganizados en diferentes moléculas. Antoine Laurent de Lavoisier estableció el principio en la década de 1780 pesando recipientes de reacción sellados, y es la razón por la cual toda ecuación química debe estar equilibrada y por la cual un químico industrial puede predecir la masa de producto que rendirá un proceso antes de ejecutarlo.

Demostrar la ley es más difícil de lo que parece, porque una reacción que libera un gas parece perder masa cuando se realiza en un recipiente abierto. La masa no ha desaparecido, simplemente ha abandonado el platillo de la balanza. Por lo tanto, la conservación solo puede demostrarse en un cerrado sistema, uno en el que cada producto, incluidos los gases, se retiene y se pesa con el resto. Ese único requisito experimental es la idea central de este laboratorio.

Probarás la ley dos veces, utilizando dos reacciones que se comportan de manera muy diferente. En la Parte A, el bicarbonato de sodio reacciona con el ácido acético y libera dióxido de carbono; el gas se captura en un globo de goma colocado sobre la boca de un matraz Erlenmeyer, y una pinza en el cuello del globo permite pesar el gas atrapado por sí mismo una vez terminada la reacción. En la Parte B, se mezclan soluciones de dicloruro de calcio y carbonato de sodio y se forma un precipitado sólido de carbonato de calcio; nada puede salir del vaso de precipitados, por lo que el balance de masa se cierra exactamente. En cada caso, pesarás el sistema antes y después de la reacción, compararás los totales y explicarás cualquier diferencia que encuentres.

Objetivos Educativos

Familiarización con el entorno del laboratorio

• Localiza e identifica la balanza electrónica, el platillo de pesaje, la probeta graduada, el matraz Erlenmeyer de 250 mL, los dos vasos de precipitados de 50 mL, el globo de goma y la pinza de madera antes de empezar, y reconoce qué pieza de aparataje hace que el sistema sea cerrado.

Uso de equipo de protección

• Use guantes y protección ocular cuando manipule ácido acético 1 M y las dos soluciones salinas, y gestione una reacción que genere presión dentro de un recipiente sellado sin dejar que el globo se separe del matraz.

Construcción y prueba de un sistema cerrado

• Ensamble un recipiente de reacción hermético a los gases con un matraz, un globo y una pinza, y explique por qué la misma reacción realizada en un matraz abierto parecería violar la conservación de la masa.
• Pese el globo y el gas atrapado en su interior por separado para medir la masa de un producto gaseoso directamente.

Técnica de pesaje cuantitativo

• Utiliza la función de tara correctamente para que una barca de pesaje no contribuya en nada a la masa registrada de un polvo, y registra cada masa con la precisión total que reporta la balanza (0.01 g).
• Pese un sistema completo como un solo objeto, entendiendo que la pinza, el matraz, el globo, los reactivos y el aire del interior forman parte del total.

Estequiometría y el reactivo limitante

• Convertir un volumen y una concentración en un número de moles, determinar cuál de los dos reactivos se agota primero y predecir la masa de gas o de precipitado que puede producir la reacción.

Interpretación de un balance de masas

• Compara una diferencia de masa medida con la precisión del instrumento y decide si una discrepancia representa una pérdida genuina de materia o la dispersión ordinaria de una lectura.

Protocolo

Parte A: La reacción entre el bicarbonato de sodio y el ácido acético

1. Pese el globo de goma usando la balanza.
2. Con la balanza de laboratorio, pesa unos 2,2 g de bicarbonato sódico (NaHCO₃).
3. Introduce el polvo pesado en el globo de goma.
4. Fija la abrazadera de madera a la base del matraz.
5. Mide 25 mL de ácido acético (CH₃(COOH) 1M usando la probeta y viértelo en el matraz Erlenmeyer.
6. Ata el globo a la boca del matraz Erlenmeyer, teniendo cuidado de no dejar caer el sólido al líquido.
7. Pese el sistema (globo, pinza, matraz Erlenmeyer y los dos reactivos) antes de la reacción. La masa se encuentra en la tabla de resultados.
8. Desprende el clip del globo.
9. Al presionar la varilla de vidrio sobre el globo, deja caer el sólido en el matraz Erlenmeyer.
10. Agite suavemente la solución hasta que se disuelva por completo, balanceando el matraz Erlenmeyer de izquierda a derecha.
11. Coloca la pinza en la base del globo.
12. Pese nuevamente el sistema cuando la reacción esté completa. La masa se encuentra en la tabla de resultados.
13. Desprenda el globo del Erlenmeyer y mantenga la pinza unida a la base del globo.
14. Pesa el globo con la pinza adjunta.

Parte B: La reacción entre el dicloruro de calcio y el dicarbonato de disodio

1. Mide 15 mL de cloruro de calcio 1M (CaCl₂) solución con la probeta.
2. Vierte la solución en el vaso de precipitados de 50 mL 1.
3. Pesa el vaso de precipitados 1 en la balanza.
4. Mide 15 mL de carbonato de sodio (Na2CO₃) 1 M₃una solución usando la probeta graduada.
5. Vierte la solución en el vaso de precipitados de 50 mL 2.
6. Pese el vaso de precipitados 2 en la balanza.
7. Vierte el contenido del vaso de precipitados 1 en el vaso de precipitados 2.
8. Agita el contenido del vaso de precipitados 2 con la varilla de vidrio.
9. Pese el vaso de precipitados 2 después de la reacción y anote la masa en la tabla de resultados.

Resultados esperados

Parte A: bicarbonato de sodio y ácido acético en un matraz cerrado

La reacción es una reacción entre un ácido y un carbonato que produce dióxido de carbono, agua y acetato de sodio:

Bicarbonato de sodio₃(s) + CH₃COOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l) + CO₂(g)

Ambos reactivos están presentes en cantidades comparables, por lo que es necesario identificar el reactivo limitante antes de poder predecir la masa del producto. Para el ácido, n = c × V = 1,00 mol/L × 0,0250 L = 0,0250 mol. En el caso del bicarbonato, n = m / M = 2,20 g ÷ 84,01 g/mol = 0,0262 mol. El ácido acético se agota primero, por lo que determina el alcance de la reacción: 0,0250 mol de CO₂ Se obtiene, con una masa de m = n × M = 0,0250 mol × 44,01 g/mol = 1,10 g. Quedan sin reaccionar aproximadamente 0,0012 mol (0,10 g) de bicarbonato de sodio en el fondo del matraz.

El paso 14 aísla ese gas. Si restamos el globo y la pinza del peso final, 9,14 g − 7,50 g − 0,45 g = 1,19 g de gas quedan retenidos en el globo, frente a los 1,10 g que permite la estequiometría. Las dos cifras coinciden con una diferencia de aproximadamente 8 %. Lo importante es la comparación entre 237,09 g y 237,12 g: si la misma reacción se hubiera llevado a cabo en un matraz abierto, habrían escapado unos 1,10 g y la balanza habría mostrado una pérdida de aproximadamente 0,47 % del total —una cantidad pequeña, pero mucho mayor que la dispersión de 0,03 g de la medición en el globo sellado, y que fácilmente podría confundirse con una violación de la ley—.

Parte B: dicloruro de calcio y carbonato de sodio en un vaso de precipitados abierto

Esta es una reacción de doble desplazamiento (precipitación), impulsada por la muy baja solubilidad del carbonato de calcio:

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

Se utilizan volúmenes iguales de concentraciones iguales, por lo que los dos reactivos se aportan exactamente en la proporción 1:1 que requiere la ecuación: n = 1,00 mol/L × 0,0150 L = 0,0150 mol de cada uno. Ninguno de los dos está en exceso y, en principio, la reacción puede llevarse a cabo hasta su finalización. El precipitado formado es m = n × M = 0,0150 mol × 100,09 g/mol = 1,50 g de CaCO₃, quedando 0,0300 mol de NaCl (1,75 g) disueltos en el sobrenadante. Aparece una suspensión blanca turbia en el momento en que las soluciones se encuentran y se sedimenta en un sólido blanco fino cuando se detiene la agitación.

El cambio visible es dramático —dos líquidos transparentes se convierten en una suspensión blanca— y, sin embargo, la balanza no se mueve en absoluto una vez que se contabiliza el vaso de precipitados. Ese es exactamente el punto: un cambio de estado y un cambio de identidad química no son un cambio de masa. Al dividir el contenido por sus volúmenes también se obtienen las densidades de las dos soluciones madre, 16.25 g ÷ 15.0 mL = 1.08 g/mL para el dicloruro de calcio y 16.59 g ÷ 15.0 mL = 1.11 g/mL para el carbonato de sodio, ambas más densas que el agua pura como se espera para soluciones salinas 1 M.

Resumen de la asignación por rango de calificación

Grados 9–10

• Enfoque — observar que un cambio químico altera la apariencia sin alterar la masa, y aprender el vocabulario que lo acompaña: reactivo, producto, precipitado, sistema cerrado, conservación.
• Actividades — lleve a cabo ambas partes, registre las siete masas de la Parte A y las tres masas de la Parte B en la tabla de resultados, describa lo que se observa en el momento de la reacción (burbujeo y un globo que se infla en la Parte A, una nube blanca en la Parte B) y declare en una sola oración si la masa cambió. Responda a la pregunta guía: ¿adónde se habría ido el dióxido de carbono sin el globo?

Undécimo grado

• Enfoque — tratar el experimento cuantitativamente, con ecuaciones equilibradas y una predicción basada en moles en lugar de una comparación cualitativa.
• Actividades — balancea ambas ecuaciones; convierte 25 mL de ácido acético 1 M y 2,20 g de NaHCO₃ en moles e identificar el reactivo limitante; predecir la masa de CO₂ y compárelo con los 1.19 g pesados en el globo en el paso 14; prediga los 1.50 g de CaCO₃ formado en la Parte B; demuestre aritméticamente que 91.25 + 91.59 − 75.00 = 107.84 g y explique por qué se debe restar la masa de un vaso de precipitados.

12.º curso / Nivel universitario

• Enfoque — el análisis de errores y la interpretación de una discrepancia, en lugar de descartarla.
• Actividades — exprese ambos balances de masa como diferencias porcentuales y compárelos con la resolución de la balanza; explique los 0,09 g en los que el gas atrapado supera su máximo estequiométrico, estimando cuánt vapor de agua podría transportar un volumen de gas saturado a temperatura ambiente; use la ley de los gases ideales para predecir el volumen que debería alcanzar el globo a 101 kPa y 22 °C a partir de n = 0,0250 mol; discuta el CO₂/H₂CO₃/HCO₃⁻ equilibrio y cuánto carbono puede permanecer en solución; y diseñar una modificación para la Parte A que proporcione un sello hermético al gas justificable, explicando qué mejoraría.

Esenciales de laboratorio

Instrumentos

• Balanza electrónica (precisión de 0,01 g, con tara)
• Platillo de pesaje (0,5 g)
• Espátula
• Globo de goma (7,5 g)
• Pinza de madera (0,45 g)
• Varilla de vidrio
• Matraz Erlenmeyer de 250 mL (200 g)
• 2 vasos de precipitados de 50 mL (75 g cada uno)
• Probeta de 25 mL

Productos

• Bicarbonato de sodio NaHCO₃ (en polvo, 2,2 g)
• Ácido acético CH₃COOH 1 M (25 mL de solución)
• Dicloruro de calcio CaCl₂ 1 M (15 mL de solución)
• Carbonato de sodio Na₂CO₃ 1 M (15 mL de solución)