016 – La legge di conservazione della massa

La legge di conservazione della massa stabilisce che la materia non si crea né si distrugge in una reazione chimica: gli atomi presenti prima della reazione sono esattamente gli atomi presenti dopo di essa, semplicemente riorganizzati in molecole diverse. Antoine Laurent de Lavoisier stabilì il principio negli anni ottanta del Settecento pesando recipienti di reazione sigillati, ed è il motivo per cui ogni equazione chimica deve essere bilanciata e il motivo per cui un chimico industriale può prevedere la massa di prodotto che un processo genererà prima di eseguirlo.

Dimostrare la legge è più difficile di quanto sembri, perché una reazione che rilascia un gas sembra perdere massa quando viene eseguita in un recipiente aperto. La massa non è scomparsa, ha semplicemente lasciato il piatto della bilancia. La conservazione può quindi essere dimostrata solo in un chiuso sistema, uno in cui ogni prodotto, gas inclusi, viene trattenuto e pesato insieme al resto. Quel singolo requisito sperimentale è l'idea centrale di questo laboratorio.

Testerai la legge due volte, utilizzando due reazioni che si comportano in modo molto diverso. Nella Parte A, il bicarbonato di sodio reagisce con l'acido acetico e rilascia anidride carbonica; il gas viene catturato in un palloncino di gomma applicato sopra l'imboccatura di un beuta Erlenmeyer, e un morsetto sul collo del palloncino consente di pesare il gas intrappolato singolarmente una volta terminata la reazione. Nella Parte B, soluzioni di dicloruro di calcio e carbonato di sodio vengono mescolate e si forma un precipitato solido di carbonato di calcio; nulla può fuoriuscire dal becher, quindi il bilancio di massa si chiude esattamente. In ciascun caso peserai il sistema prima e dopo la reazione, confronterai i totali e spiegherai qualsiasi differenza riscontrata.

Obiettivi Educativi

Familiarizzazione con l'ambiente di laboratorio

• Individuare e identificare la bilancia elettronica, la barchetta di pesata, il cilindro graduato, la beuta Erlenmeyer da 250 mL, i due beaker da 50 mL, il palloncino di gomma e la pinza di legno prima di iniziare, e riconoscere quale pezzo di attrezzatura rende il sistema chiuso.

Uso di dispositivi di protezione

• Indossare guanti e protezione per gli occhi quando si maneggiano acido acetico 1 M e le due soluzioni saline, e gestire una reazione che genera pressione all'interno di un recipiente sigillato senza lasciare che il palloncino si stacchi dalla beuta.

Costruzione e test di un sistema chiuso

• Assemblare un recipiente di reazione a tenuta di gas utilizzando un pallone, un palloncino e una morsa, e spiegare perché la stessa reazione condotta in un pallone aperto sembrerebbe violare la conservazione della massa.
• Pesa separatamente il palloncino e il gas in esso contenuto per misurare direttamente la massa di un prodotto gassoso.

Tecnica di pesata quantitativa

• Usa correttamente la funzione di tara in modo che una barchetta di pesata non contribuisca alla massa registrata di una polvere, e registra ogni massa con la massima precisione indicata dalla bilancia (0,01 g).
• Pesa un sistema completo come un unico oggetto, comprendendo che pinza, beuta, pallone, reagenti e l'aria all'interno fanno tutti parte del totale.

La stechiometria e il reagente limitante

• Convertire un volume e una concentrazione in un numero di moli, identificare quale dei due reagenti si esaurisce per primo e prevedere la massa di gas o di precipitato che la reazione può produrre.

Interpretazione di un bilancio di massa

• Confrontare una differenza di massa misurata con la precisione dello strumento e decidere se una discrepanza rappresenti una perdita autentica di materia o la normale dispersione di una lettura.

Protocollo

Parte A: La reazione tra bicarbonato di sodio e acido acetico

1. Pesare il palloncino di gomma usando la bilancia.
2. Usando la barchetta pesafiltri, pesare circa 2,2 g di bicarbonato di sodio (NaHCO₃).
3. Versare la polvere pesata nel palloncino di gomma.
4. Fissare il morsetto di legno alla base del pallone.
5. Misurare 25 ml di acido acetico (CH₃(COOH) 1M usando il cilindro graduato e versalo nella beuta.
6. Attacca il palloncino all'apertura del matraccio di Erlenmeyer, facendo attenzione a non far cadere il solido nel liquido.
7. Pesare il sistema (pallone, morsetto, beuta e i due reagenti) prima della reazione. La massa si trova nella tabella dei risultati.
8. Staccare la clip dal palloncino.
9. Premendo l'asta di vetro sul palloncino, lasciate cadere il solido nell'erlenmeyer.
10. Agitare dolcemente la soluzione fino a completa dissoluzione facendo oscillare la beuta da sinistra a destra.
11. Attacca la pinza alla base del palloncino.
12. Pesare nuovamente il sistema una volta completata la reazione. La massa si trova nella tabella dei risultati.
13. Scollega il pallone dall'erlenmeyer mantenendo il morsetto attaccato alla base del pallone.
14. Pesa il palloncino con la pinza attaccata.

Parte B: La reazione tra dicloruro di calcio e carbonato disodico

1. Misurare 15 mL di dicloruro di calcio (CaCl₂) 1M₂) soluzione con il cilindro graduato.
2. Versare la soluzione nel becher da 50 mL 1.
3. Pesare il becher 1 sulla bilancia.
4. Misurare 15 mL di carbonato di sodio 1M (Na2CO₃la soluzione usando il cilindro graduato.
5. Versare la soluzione nel becher da 50 mL 2.
6. Pesare il becher 2 sulla bilancia.
7. Versa il contenuto del becher 1 nel becher 2.
8. Agitare il contenuto del becher 2 con la bacchetta di vetro.
9. Pesare il becher 2 dopo la reazione e annotare la massa nella tabella dei risultati.

Risultati Previsti

Parte A — bicarbonato di sodio e acido acetico in un beuta chiusa

La reazione è una reazione acido-carbonato che produce anidride carbonica, acqua e acetato di sodio:

Bicarbonato di sodio₃(s) + CH₃COOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l) + CO₂g)

Entrambi i reagenti sono presenti in quantità comparabili, quindi il reagente limitante deve essere identificato prima che si possa prevedere qualsiasi massa di prodotto. Per l'acido, n = c × V = 1.00 mol/L × 0.0250 L = 0.0250 mol. Per il bicarbonato, n = m / M = 2.20 g ÷ 84.01 g/mol = 0.0262 mol. L'acido acetico si esaurisce per primo, quindi determina l'estensione della reazione: 0.0250 mol di CO₂ viene prodotta, con una massa di m = n × M = 0,0250 mol × 44,01 g/mol = 1,10 g. Circa 0,0012 mol (0,10 g) di bicarbonato di sodio rimangono non reagiti sul fondo del beuta.

Il passaggio 14 isola quel gas. Sottraendo il pallone e il morsetto dalla pesata finale, 9,14 g − 7,50 g − 0,45 g = 1,19 g di gas rimangono nel pallone, contro gli 1,10 g previsti dalla stechiometria. Le due cifre concordano con uno scarto di circa 8 %. Il punto importante è il confronto tra 237,09 g e 237,12 g: se la stessa reazione fosse stata condotta in un pallone aperto, circa 1,10 g sarebbero fuoriusciti e la bilancia avrebbe indicato una perdita di circa 0,47 % del totale — una quantità piccola, ma di gran lunga superiore alla dispersione di 0,03 g della misurazione in ambiente sigillato, e facilmente scambiabile per una violazione della legge.

Parte B — dicloruro di calcio e carbonato di sodio in un becher aperto

Questa è una reazione di doppio scambio (precipitazione), guidata dalla bassissima solubilità del carbonato di calcio:

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

Vengono impiegati volumi uguali di concentrazioni uguali, quindi i due reagenti sono forniti esattamente nel rapporto 1:1 richiesto dall'equazione: n = 1,00 mol/L × 0,0150 L = 0,0150 mol di ciascuno. Nessuno dei due è in eccesso e la reazione può in linea di principio giungere a completamento. Il precipitato formato è m = n × M = 0,0150 mol × 100,09 g/mol = 1,50 g di CaCO₃, lasciando 0,0300 mol di NaCl (1,75 g) disciolti nel surnatante. Una sospensione bianca e torbida appare nel momento in cui le soluzioni si incontrano e si deposita in un solido bianco e fine quando si interrompe l'agitazione.

Il cambiamento visibile è drastico — due liquidi trasparenti diventano una sospensione bianca — eppure la bilancia non si muove affatto una volta considerato il becher. Questo è esattamente il punto: un cambiamento di stato e un cambiamento di identità chimica non costituiscono un cambiamento di massa. Dividendo i contenuti per i loro volumi si ottengono anche le densità delle due soluzioni di partenza, 16,25 g ÷ 15,0 mL = 1,08 g/mL per il dicloruro di calcio e 16,59 g ÷ 15,0 mL = 1,11 g/mL per il carbonato di sodio, entrambe più dense dell'acqua pura come ci si aspetta per soluzioni saline 1 M.

Riepilogo del compito per intervallo di voti

Classe 9-10

• Concentrati — osservare che un cambiamento chimico altera l'aspetto senza alterare la massa, e imparare il vocabolario ad esso associato: reagente, prodotto, precipitato, sistema chiuso, conservazione.
• Attività — eseguire entrambe le parti, registrare tutte e sette le masse della Parte A e tutte e tre le masse della Parte B nella tabella dei risultati, descrivere ciò che si osserva al momento della reazione (formazione di bolle e un palloncino che si gonfia nella Parte A, una nube bianca nella Parte B) e dichiarare in una frase se la massa è cambiata. Rispondi alla domanda guidata: dove sarebbe andata l'anidride carbonica senza il palloncino?

Undicesimo anno

• Concentrati — trattando l'esperimento in modo quantitativo, con equazioni bilanciate e una previsione basata sulle moli anziché su un confronto qualitativo.
• Attività — bilancia entrambe le equazioni; converti 25 mL di acido acetico 1 M e 2,20 g di NaHCO₃ in moli e identificare il reagente limitante; prevedere la massa di CO₂ e confrontalo con 1,19 g pesati nel pallone al passaggio 14; prevedi 1,50 g di CaCO₃ formato nella Parte B; dimostrare aritmeticamente che 91,25 + 91,59 − 75,00 = 107,84 g e spiegare perché la massa di un becher deve essere sotttratta.

12ª classe / Livello universitario

• Concentrati — analisi degli errori e interpretazione di una discrepanza anziché scartarla.
• Attività — esprimere entrambi i bilanci di massa come differenze percentuali e confrontarli con la risoluzione della bilancia; rendere conto degli 0,09 g con cui il gas intrappolato supera il suo massimo stechiometrico, stimando quanta vapor d'acqua un volume di gas saturo a temperatura ambiente potrebbe trasportare; utilizzare la legge dei gas ideali per prevedere il volume che il pallone dovrebbe raggiungere a 101 kPa e 22 °C da n = 0,0250 mol; discutere la CO₂/H₂CO₃/HCO₃^- equilibrio e quanto carbonio può rimanere in soluzione; e progettare una modifica alla Parte A che fornisca una tenuta a tenuta di gas difendibile, spiegando cosa migliorerebbe.

Materiale essenziale di laboratorio

Strumenti

• Bilancia elettronica (sensibile a 0,01 g, con tara)
• Pesa-filo (0,5 g)
• Spatola
• Palloncino di gomma (7,5 g)
• Morsetto di legno (0,45 g)
• Bastoncino di vetro
• Beuta Erlenmeyer da 250 mL (200 g)
• 2 × becher da 50 mL (75 g ciascuno)
• Cilindro graduato da 25 mL

Prodotti

• Bicarbonato di sodio NaHCO3₃ (polvere, 2,2 g)
• Acido acetico CH₃COOH 1 M (25 mL di soluzione)
• Cloruro di calcio CaCl2₂ 1 M (15 mL di soluzione)
• Carbonato di sodio Na₂CO₃ 1 M (15 mL di soluzione)