3. La ley de la conservación de la masa | ♎ Balance de masa y carga | Joseleg

(Ciencias de Joseleg)  (Química)  (Química cuantitativa)  (Balance de masa y carga) (Ejercicios resueltos)  (Introducción)  (Conservación de la energía)  (Conservación de la masa) (Conservación de la carga) (Cargas de los átomos)  (Cargas de las moléculas)  (Cargas de las reacciones químicas)  (Balanceo por tanteo)  (Balanceo algebraico) (Balanceo por ecuaciones) (Balanceo por matrices) (Balanceo redox)  (Balanceo ion electrón)  (Referencias bibliográficas)

 

La ley de conservación de masa o principio de conservación de la materia establece que, para cualquier sistema aislado a todas las transferencias de materia y energía, la masa del sistema debe permanecer constante a lo largo del tiempo, ya que la masa del sistema no puede cambiar, por lo que la cantidad no se puede agregar ni eliminar. Por lo tanto, la cantidad de masa se conserva en el tiempo. Matemáticamente puede expresarse como que la masa total inicial (m⁰) es igual a la masa total final (m). Y a su vez una masa total será igual a las masas de cada subsistema.

Así por ejemplo si tenemos dos soluciones una de cloruro de bario y otra de sulfato de cobre (Figura 3‑1), la suma de las masas de ambas será la masa inicial del sistema. Aunque experimentalmente las sustancias deben ser estimuladas para mezclarse, reaccionar y cambiar, la ecuación en si no modela el cambio, pues la suma de masas final estará dada por las sustancias producidas durante la reacción química, siendo en este caso sulfato de bario y cloruro de sodio. El punto es que experimentalmente sin importar como se combinaron, la masa del sistema completo permanece constante entre los dos momentos analizados.

Figura 3‑1. Conservación de la masa experimental. La masa total de los reactivos (300.23 gramos entre BaCl2 y CuSO4) es igual a la masa total de los productos (BaSO4 y NaCl).

La ley implica que la masa no puede ser creada ni destruida, aunque puede ser reorganizada en el espacio, o las entidades asociadas con ella pueden ser cambiadas de forma. Por ejemplo, en reacciones químicas, la masa de los componentes químicos antes de la reacción es igual a la masa de los componentes después de la reacción. Por lo tanto, durante cualquier reacción química y procesos termodinámicos de baja energía en un sistema aislado, la masa total de los reactivos, o materiales de partida, debe ser igual a la masa de los productos.

Lo anterior implica que, si restamos la masa total de productos (∑m_p) y la masa total de reactivos (∑m_r), el resultado debe ser una suma cero.

Los dos postulados anteriores pueden ser modelados matemáticamente, de varias maneras, en esencia tenemos dos variables que hemos visto en capítulos anteriores que describen a la materia, la variable masa y la variable cantidad de sustancia.

👉 Enunciado: Determine la masa final en la siguiente reacción, teniendo en cuenta que la masa del hidrógeno es de 4.0 toneladas y del oxígeno es 31.7 toneladas: 2H₂(g)+O₂(g) → 2H₂O(g).

👉 Enunciado: (LibreChem 3.7.1) Si calentar 10,0 gramos de carbonato de calcio (CaCO₃) produce 4,4 g de dióxido de carbono (CO₂) y 5.6 g de óxido de calcio (CaO), demuestre que estas observaciones están de acuerdo con la ley de conservación de la masa.

👉 Enunciado:  (LibreChem 3.7.2) El hidróxido de potasio (KOH) reacciona fácilmente con el dióxido de carbono (CO₂) para producir carbonato de potasio (K₂CO₃) y agua (H₂O). ¿Cuántos gramos de carbonato de potasio se producen si reaccionan 224.4 g de KOH con 88.0 g de CO₂? La reacción también produjo 36.0 g de agua.

Conservación del número de átomos y la prueba de balance de masa

Esta fórmula fue deducida en la gran sección sobre la teoría atómica de Dalton, así que solo nos limitaremos a convocarla.

Siendo esta ecuación el modelo abstracto de la siguiente figura donde (si) es el número de átomos que van unidos en una molécula y (v) en número de moléculas presentes en un solo evento de reacción.

Figura 3‑2.  Interpretación análoga de la ecuación química  2H₂+O₂→2H₂O, en dicha ecuación se necesita una molécula de oxígeno “que está compuesta por dos átomos” completar un solo evento de reacción.

👉 Enunciado: Pruebe que la ecuación química: Zn+2HCl →ZnCl₂+H₂, cumple con la ley de la conservación de la materia.

Hasta este punto hemos demostrado que la ley de la conservación del número de átomos es una consecuencia necesaria de la ley de la conservación de la masa, así que, por defecto sabemos que debe cumplirse, y cuando aparentemente no lo hace, es que el modelo que lo representa, en este caso la ecuación química, está mal planteada. Existe una variedad de razones para que una ecuación química esté mal planteada a saber:

- Faltan sustancias en los reactivos o los productos.

- Las sustancias involucradas son incorrectas, lo que también engloba a que los subíndices sean incorrectos, recuerde que la identidad de la molécula depende del subíndice, cambiar el subíndice cambia la sustancia.

- Pero la razón más común para los ejercicios de lápiz y papel es que los coeficientes estequiométricos sean incorrectos, recuerde que estos coeficientes indican cantidad de sustancia/moléculas, no identidad, por lo que si pueden cambiar sin que alteremos la identidad de una sustancia.

- Otra razón puede ser que el número de electrones no se tuvo en cuenta, pero para esto deberemos comprende la ley de la conservación de la carga,

Una de las labores de los químicos es plantear correctamente una ecuación química, y en ejercicios de lápiz y papel eso implica inferir los productos correctos, y los coeficientes estequiométricos adecuados e incluso el número de cargas involucradas de modo tal que carga y masa se encuentren en perfecto equilibrio, como todo debe estar.