016 – La ley de la conservación de la masa

La ley de la 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 mismos que están presentes después, solo que están reorganizados en moléculas diferentes. Antoine Laurent de Lavoisier estableció el principio en la década de 1780 al pesar recipientes de reacción sellados, y es la razón por la cual toda ecuación química debe estar equilibrada y la razón por la cual un químico industrial puede predecir la masa de producto que un proceso arrojará antes de llevarlo a cabo.

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 se puede demostrar en un cerrado sistema, uno en el cual cada producto, gases incluidos, es retenido y pesado junto con el resto. Ese único requisito experimental es la idea central de este laboratorio.

Probará 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 solo una vez que termina 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, pesará el sistema antes y después de la reacción, comparará los totales y justificará cualquier diferencia que encuentre.

Metas educativas

Familiarización con el entorno de laboratorio

• Localice e identifique la balanza electrónica, la barca de pesaje, la probeta graduada, el matraz Erlenmeyer de 250 mL, los dos vasos de precipitados de 50 mL, el globo de látex y la pinza de madera antes de empezar, y reconozca qué pieza de aparato hace que el sistema sea cerrado.

Uso de equipo de protección

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

Construcción y prueba de un sistema cerrado

• Ensambla un recipiente de reacción hermético a los gases a partir de un matraz, un globo y una pinza, y explica 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 directamente la masa de un producto gaseoso.

Técnica de pesaje cuantitativo

• Use la función de tara correctamente para que una barquilla de pesaje no contribuya en nada a la masa registrada de un polvo, y registre cada masa con la precisión completa que reporta la balanza (0.01 g).
• Pese un sistema completo como un solo objeto, comprendiendo 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, identificar cuál de dos reactivos se agota primero y predecir la masa de gas o precipitado que la reacción puede producir.

Interpretación de un balance de masa

• Compare una diferencia de masa medida con la precisión del instrumento y decida 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. Pesa el globo de látex usando la báscula.
2. Usando el platillo de pesaje, pese aproximadamente 2.2 g de bicarbonato de sodio (NaHCO₃).
3. Introduzca el polvo pesado en el globo de látex.
4. Fije la abrazadera de madera a la base del matraz.
5. Mida 25 mL de ácido acético (CH₃COOH) 1M usando la probeta y viértalo en el matraz Erlenmeyer.
6. Coloque el globo en la boca del matraz Erlenmeyer, teniendo cuidado de no dejar caer el sólido dentro del 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. Separe el clip del globo.
9. Al presionar la varilla de vidrio sobre el globo, deje 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. Fije la abrazadera a la base del globo.
12. Pese el sistema de nuevo cuando termine la reacción. La masa se encuentra en la tabla de resultados.
13. Desprenda el globo del Erlenmeyer y mantenga la pinza sujeta a la base del globo.
14. Pese el globo con la pinza adjunta.

Parte B: La reacción entre dicloruro de calcio y carbonato de disodio

1. Mida 15 mL de dicloruro de calcio (CaCl₂) solución con la probeta graduada.
2. Vierta la solución en el vaso de precipitados 1 de 50 mL.
3. Pese el vaso de precipitados 1 en la balanza.
4. Mida 15 mL de carbonato de sodio 1M (Na2CO3)₃) solución usando la probeta graduada.
5. Vierta la solución en el vaso de precipitados 2 de 50 mL.
6. Pese el vaso de precipitados 2 en la balanza.
7. Vierta el contenido del vaso de precipitados 1 en el vaso de precipitados 2.
8. Agite 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 ácido-carbonato que produce dióxido de carbono, agua y acetato de sodio:

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

Ambos reactivos están presentes en cantidades comparables, por lo que se debe identificar el reactivo limitante antes de poder predecir cualquier masa de producto. Para el ácido, n = c × V = 1,00 mol/L × 0,0250 L = 0,0250 mol. Para el 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 produce, con una masa de m = n × M = 0.0250 mol × 44.01 g/mol = 1.10 g. Aproximadamente 0.0012 mol (0.10 g) de bicarbonato de sodio queda sin reaccionar en el fondo del matraz.

El paso 14 aísla ese gas. Al restar el peso del globo y de 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 aproximadamente 1,10 g y la balanza habría mostrado una pérdida de más o menos 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 se podría confundir 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(ac) + Na₂CO₃(aq) → CaCO₃₃(s) + 2 NaCl(ac)

Se utilizan volúmenes iguales de concentraciones iguales, por lo que los dos reactivos se suministran exactamente en la relación 1:1 que requiere la ecuación: n = 1.00 mol/L × 0.0150 L = 0.0150 mol de cada uno. Ninguno está en exceso y, en principio, la reacción puede completarse. El precipitado formado es m = n × M = 0.0150 mol × 100.09 g/mol = 1.50 g de CaCO₃, dejando 0.0300 mol de NaCl (1.75 g) disuelto en el sobrenadante. Una suspensión blanca y turbia aparece en el momento en que las soluciones se encuentran y se asienta en un sólido blanco fino cuando se detiene la agitación.

El cambio visible es drástico —dos líquidos transparentes se convierten en una suspensión blanca— y, sin embargo, la balanza no se mueve en absoluto una vez que se toma en cuenta 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 los contenidos entre 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 tareas por rango de calificaciones

Grado 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, anote 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 (formación de burbujas y un globo que se infla en la Parte A, una nube blanca en la Parte B) y declare en una 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 a 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; muestre 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 grado / Nivel universitario

• Enfoque — análisis de errores e 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 por los cuales el gas atrapado excede 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 el globo debería alcanzar 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 a la Parte A que proporcione un sello estanco a los gases defendible, explicando qué mejoraría.

Elementos esenciales para el laboratorio

Instrumentos

• Balanza electrónica (legible a 0,01 g, con tara)
• Bote para pesar (0.5 g)
• Espátula
• Globo de látex (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 graduada de 25 mL

Productos

• Bicarbonato de sodio $NaHCO_3$₃ (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)