016 – Legea conservării masei

Legea conservării masei afirmă că materia nu este nici creată, nici distrusă într-o reacție chimică: atomii prezenți înainte de reacție sunt exact atomii prezenți după aceasta, doar rearanjați în molecule diferite. Antoine Laurent de Lavoisier a stabilit acest principiu în anii 1780 prin cântărirea unor vase de reacție etanșe și acesta este motivul pentru care fiecare ecuație chimică trebuie egalată și motivul pentru care un chimist industrial poate prevedea masa de produs pe care o va genera un proces înainte de a-l rula.

Demonstrarea legii este mai dificilă decât pare, deoarece o reacție care eliberează un gaz pare să piardă masă atunci când se desfășoară într-un vas deschis. Masa nu a dispărut – ea a părăsit pur și simplu platanul cântarului. Conservarea poate fi așadar demonstrată doar într-un închis unul în care fiecare produs, inclusiv gazele, este reținut și cântărit împreună cu restul. Această singură cerință experimentală este ideea centrală a acestui laborator.

Veți testa legea de două ori, folosind două reacții care se comportă foarte diferit. În Partea A, bicarbonatul de sodiu reacționează cu acidul acetic și degajă dioxid de carbon; gazul este captat într-un balon de cauciuc montat pe gura unui flacon Erlenmeyer, iar o clemă situată pe gâtul balonului permite cântărirea separată a gazului capturat odată ce reacția s-a încheiat. În Partea B, soluții de clorură de calciu și carbonat de sodiu sunt amestecate și se formează un precipitat solid de carbonat de calciu; nimic nu poate ieși din paharul de laborator, astfel încât bilanțul de masă se închide exact. În fiecare caz veți cântări sistemul înainte și după reacție, veți compara totalurile și veți explica orice diferență pe care o găsiți.

Obiective educaționale

Familiarizarea cu mediul de laborator

• Localizați și identificați balanța electronică, sticluța de cântărire, cilindrul gradat, flaconul Erlenmeyer de 250 mL, cei doi pahare de laborator de 50 mL, balonul de cauciuc și clema de lemn înainte de a începe și recunoașteți carepiesă de aparat face ca sistemul să fie închis.

Utilizarea echipamentului de protecție

• Purtați mănuși și ochelari de protecție atunci când manipulați acid acetic 1 M și cele două soluții saline și gestionați o reacție care generează presiune în interiorul unui vas etanș, fără a lăsa balonul să se desprindă de flacon.

Construirea și testarea unui sistem închis

• Asamblați un vas de reacție etanș la gaze dintr-un balon, un balon de laborator și o clemă și explicați de ce aceeași reacție efectuată într-un vas deschis ar părea să încalce legea conservării masei.
• Cântăriți separat balonul și gazul capturat în acesta pentru a măsura direct masa unui produs gazos.

Tehnica de cântărire cantitativă

• Folosește corect funcția de tară, astfel încât o nacelă de cântărire să nu contribuie cu nimic la masa înregistrată a unei pulberi și înregistrează fiecare masă la precizia maximă pe care o raportează balanța (0,01 g).
• Cântăriți un sistem complet ca un singur obiect, înțelegând că clema, balonul cotat, balonul, reactanții și aerul din interior fac toate parte din total.

Stoichiometria și reactivul limitant

• Convertește un volum și o concentrație într-un număr de moli, identifică care dintre cei doi reactanți se consumă primul și anticipează masa de gaz sau de precipitat pe care reacția o poate produce.

Interpretarea unui bilanț de masă

• Comparați o diferență de masă măsurată cu precizia instrumentului și decideți dacă o discrepanță reprezintă o pierdere autentică de materie sau dispersia obișnuită a unei citiri.

Protocol

Partea A: Reacția dintre bicarbonatul de sodiu și acidul acetic

1. Cântăriți balonul de cauciuc folosind cântarul.
2. Folosind tăvița de cântărire, cântăriți aproximativ 2,2 g de bicarbonat de sodiu (NaHCO₃).
3. Introduceți pudra cântărită în balonul de cauciuc.
4. Atașați clema de lemn la baza balonului.
5. Măsurați 25 mL de acid acetic (CH₃(COOH) 1M folosind cilindrul gradat și toarnă-l în balonul Erlenmeyer.
6. Atașați balonul la deschiderea balonului Erlenmeyer, având grijă să nu lăsați solidul să cadă în lichid.
7. Cântăriți sistemul (balon, clemă, balon Erlenmeyer și cei doi reactanți) înainte de reacție. Masa este înregistrată în tabelul de rezultate.
8. Desprinde clema de balon.
9. Prin apăsarea tijei de sticlă pe balon, lăsați solidul să cadă în balonul Erlenmeyer.
10. Agitați ușor soluția până la dizolvarea completă, legănând balonul Erlenmeyer de la stânga la dreapta.
11. Atașați clema la baza balonului.
12. Cântăriți din nou sistemul după ce reacția este completă. Masa se găsește în tabelul de rezultate.
13. Desprinde balonul de erlenmeyer și păstrează clema atașată la baza balonului.
14. Cântărește balonul cu clema atașată.

Partea B: Reacția dintre diclorura de calciu și dicarbonatul de disodiu

1. Măsurați 15 mL de clorură de calciu 1M (CaCl₂) soluție cu cilindrul gradat.
2. Toarnă soluția în paharul Berzelius de 50 mL 1.
3. Cântărește eprubeta 1 pe cântar.
4. Măsurați 15 mL de carbonat de sodiu 1M (Na2CO₃soluție folosind cilindrul gradat.
5. Toarnă soluția în eprubeta de 50 mL 2.
6. Cântăriți eprubeta 2 pe cântar.
7. Toarnă conținutul din eprubeta 1 în eprubeta 2.
8. Amestecați conținutul eprubetei 2 cu bagheta de sticlă.
9. Cântăriți eprubeta 2 după reacție și notați masa în tabelul de rezultate.

Rezultate anticipate

Partea A — bicarbonat de sodiu și acid acetic într-un balon închis

Reacția este o reacție acid-carbonat care produce dioxid de carbon, apă și acetat de sodiu:

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

Amblele reactive sunt prezente în cantități comparabile, așa că reactivul limitativ trebuie identificat înainte ca orice masă de produs să poată fi prezisă. Pentru acid, n = c × V = 1,00 mol/L × 0,0250 L = 0,0250 mol. Pentru bicarbonat, n = m / M = 2,20 g ÷ 84,01 g/mol = 0,0262 mol. Acidul acetic se termină primul, așa că el stabilește amploarea reacției: 0,0250 mol de CO₂ se obține, cu o masă de m = n × M = 0,0250 mol × 44,01 g/mol = 1,10 g. Aproximativ 0,0012 mol (0,10 g) de bicarbonat de sodiu rămâne nereacționat pe fundul balonului.

Pasul 14 izolează gazul respectiv. Dacă scădem balonul și clema din greutatea finală, 9,14 g − 7,50 g − 0,45 g = 1,19 g de gaz rămân în balon, față de cele 1,10 g permise de stoichiometrie. Cele două valori se potrivesc cu o abatere de aproximativ 8 %. Aspectul important este comparația dintre 237,09 g și 237,12 g: dacă aceeași reacție ar fi fost efectuată într-un balon deschis, aproximativ 1,10 g s-ar fi pierdut, iar balanța ar fi indicat o pierdere de aproximativ 0,47 % din total — o valoare mică, dar mult mai mare decât abaterea de 0,03 g a măsurătorii efectuate în condiții etanșe și care ar putea fi ușor confundată cu o încălcare a legii.

Partea B — diclorură de calciu și carbonat de sodiu într-un pahar de laborator deschis

Aceasta este o reacție de dublă înlocuire (precipitare), determinată de solubilitatea foarte scăzută a carbonatului de calciu:

CaCl₂₂(aq) + Na₂CO₃(aq) → CaCO3₃(s) + 2 NaCl(aq)

Se utilizează volume egale de concentrații egale, astfel încât cei doi reactanți sunt furnizați exact în raportul de 1:1 cerut de ecuație: n = 1,00 mol/L × 0,0150 L = 0,0150 mol din fiecare. Niciunul nu se află în exces, iar reacția poate, în principiu, să meargă până la sfârșit. Precipitatul format este m = n × M = 0,0150 mol × 100,09 g/mol = 1,50 g de CaCO₃, lăsând 0,0300 mol de NaCl (1,75 g) dizolvați în lichidul supernatant. O suspensie albă tulbure apare în momentul în care soluțiile se întâlnesc și se depune sub formă de solid alb fin atunci când agitația încetează.

Schimbarea vizibilă este dramatică — două lichide limpezi devin o suspensie albă — și totuși balanța nu se mișcă deloc odată ce paharul de laborator este luat în considerare. Ac Acesta este exact scopul: o schimbare de stare și o schimbare de identitate chimică nu reprezintă o schimbare a masei. Împărțirea conținutului la volumele lor oferă, de asemenea, densitățile celor două soluții mamă, 16,25 g ÷ 15,0 mL = 1,08 g/mL pentru diclorura de calciu și 16,59 g ÷ 15,0 mL = 1,11 g/mL pentru carbonatul de sodiu, ambele mai dense decât apa pură, așa cum este de așteptat pentru soluțiile saline de 1 M.

Rezumatul temei pe intervale de note

Clasele a IX-a și a X-a

• Focus — observarea faptului că o schimbare chimică modifică aspectul fără a-i modifica masa și învățarea vocabularului aferent: reactant, produs, precipitat, sistem închis, conservare.
• Activități — efectuați ambele părți, înregistrați toate cele șapte mase din Partea A și toate cele trei mase din Partea B în tabelul cu rezultate, descrieți ceea ce se vede în momentul reacției (efervescență și un balon care se umflă în Partea A, un nor alb în Partea B) și menționați într-o singură propoziție dacă masa s-a modificat. Răspundeți la întrebarea ghidată: unde s-ar fi dus dioxidul de carbon fără balon?

Clasa a XI-a

• Focus — tratarea experimentului cantitativ, cu ecuații echilibrate și o predicție bazată pe moli, în loc de o comparație calitativă.
• Activități — echilibrați ambele ecuații; convertiți 25 mL de acid acetic 1 M și 2,20 g de NaHCO₃₃ în moli și identificați reactivul limitant; previziceți masa de CO₂ și compară-l cu cele 1,19 g cântărite în balon la pasul 14; anticipează cele 1,50 g de CaCO₃ format în Partea B; arătați aritmetic că 91,25 + 91,59 − 75,00 = 107,84 g și explicați de ce masa unui pahar de laborator trebuie scăzută.

Clasa a XII-a / Nivel universitar

• Focus — analiza erorilor și interpretarea unei discrepanțe în loc de a o respinge.
• Activități — exprimați ambele bilanțuri de masă ca diferențe procentuale și comparați-le cu rezoluția balanței; explicați cele 0,09 g cu care gazul captat depășește maximul său stoichiometric, estimând cât vapori de apă ar putea transporta un volum de gaz saturat la temperatura camerei; folosiți legea gazelor ideale pentru a prezice volumul pe care balonul ar trebui să îl atingă la 101 kPa și 22 °C de la n = 0,0250 mol; discutați despre CO₂/H₂CO₃/HCO₃⁻ echilibrul și cât de mult carbon poate rămâne în soluție; și proiectarea unei modificări la Partea A care să ofere o etanșare etanșă la gaze defensibilă, explicând ce ar îmbunătăți aceasta.

Esențiale de laborator

Instrumente

• Cântar electronic (cu precizie de citire de 0,01 g, cu funcție de tarare)
• Capsulă de cântărire (0,5 g)
• Spatulă
• Balon de cauciuc (7,5 g)
• Clește de lemn (0,45 g)
• Baghetă de sticlă
• Balon Erlenmeyer de 250 ml (200 g)
• 2 pahare de laborator de 50 ml (75 g fiecare)
• cilindru gradat de 25 mL

Produse

• Bicarbonat de sodiu NaHCO₃ (pulbere, 2,2 g)
• Acid acetic CH₃COOH 1 M (25 mL de soluție)
• Diclorură de calciu CaCl₂ 1 M (15 mL de soluție)
• Carbonat de sodiu Na₂CO₃ 1 M (15 mL de soluție)