Ley de la conservación de la materia

Ana Zita
Ana Zita
Doctora en Bioquímica

La ley de conservación de la materia significa que la materia no se crea ni se destruye sino que cambia. Esto quiere decir que la masa antes de la reacción química es igual a la masa después de la reacción.

Esta ley de la química también se le conoce como ley de conservación de la masa o ley de Lavoisier. En una reacción química, unas sustancias (reactantes) rearreglan sus átomos para dar origen a otras sustancias (productos).

Definición de la ley de conservación de la materia

"La masa de un sistema cerrado o aislado permanece invariable cualquiera que sea la transformación que ocurra dentro de él".

Un sistema cerrado es aquel donde no existe interacción con el entorno. En este sentido, dentro de un sistema cerrado no entran ni salen sustancias, pero se puede liberar energía. El sistema aislado, al igual que el cerrado, no hay entrada o salida de materia, pero tampoco hay transferencia de energía.

Aplicaciones de la ley de la conservación de la materia

La ley de la conservación de la materia fue un hito clave en el progreso de la química. Gracias a esto se puede establecer que las sustancias no desaparecen o se crean de la nada en una reacción química.

Balance de la ecuación química

La ecuación química muestra los participantes de la reacción química. Hablamos de una ecuación química balanceada cuando la cantidad de átomos del lado de los reactantes es igual al lado de los productos. Por ejemplo:

negrita Na subíndice negrita 2 negrita CO subíndice negrita 3 negrita paréntesis izquierdo negrita ac negrita paréntesis derecho fin subíndice negrita más negrita CaCl subíndice negrita 2 negrita paréntesis izquierdo negrita ac negrita paréntesis derecho fin subíndice negrita arpón derecho sobre arpón izquierdo negrita 2 negrita NaCl subíndice negrita paréntesis izquierdo negrita ac negrita paréntesis derecho fin subíndice negrita más negrita CaCO subíndice negrita 3 negrita paréntesis izquierdo negrita ac negrita paréntesis derecho fin subíndice

En esta reacción entre el carbonato de sodio y el cloruro de calcio, se produce cloruro de sodio y carbonato de calcio. En la tabla se muestran los átomos de los reactantes y de los productos;

Elemento Reactantes Productos
Sodio (Na) 2 2
Carbono (C) 1 1
Calcio (Ca) 1 1
Oxígeno (O) 3 3
Cloro (Cl) 2 2

Como podemos ver, los átomos de los reactantes son iguales a los átomos de los productos.

Predecir la masa de reactantes y productos

La conservación de la masa dice que la masa total de los reactantes debe ser igual a la masa total de los productos. Por ejemplo, en un recipiente cerrado tenemos 160 g de oxígeno y 68 g amoníaco NH3, que es igual a 228 g de reactantes. La reacción química que se produce es la siguiente:

negrita 4 negrita NH subíndice negrita 3 negrita paréntesis izquierdo negrita g negrita paréntesis derecho fin subíndice negrita más negrita 5 negrita O subíndice negrita 2 negrita paréntesis izquierdo negrita g negrita paréntesis derecho fin subíndice negrita flecha derecha negrita 4 negrita NO subíndice negrita paréntesis izquierdo negrita g negrita paréntesis derecho fin subíndice negrita más negrita 6 negrita H subíndice negrita 2 negrita O subíndice negrita paréntesis izquierdo negrita g negrita paréntesis derecho fin subíndice

Tendremos al final de la reacción la cantidad de 228 g de óxido nítrico (NO) y agua (H2) como productos.

Descubrimiento de la ley de conservación de la materia

Fue el científico ruso Mikhail Lomonosov (1711-1765 ) quien demostró por primera vez la conservación de la materia en 1756. Lo hizo al mostrar cómo unas placas de plomo no cambiaban de peso mientras se quemaban en un recipiente sellado (sin contacto con el aire). Lamentablemente, este hallazgo pasó desapercibido por muchos años.

Desde que comenzó su interés por la química, Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) reconoció la importancia de las medidas precisas. A él se le acredita la ley de conservación de la materia por sus estudios en combustión.

Lavoisier en uno de sus experimentos, hirvió agua por 101 días en un frasco especial, que condensaba el vapor de agua y lo regresaba al frasco. De esta forma ninguna sustancia se perdía en el curso del experimento. Cuando comparó el peso del recipiente antes y después del período de hervido, eran iguales. Lavoisier de esta forma estableció que la masa no se creaba ni se destruía sino que se trasformaba de una sustancia a otra.

Experimento fácil para demostrar la ley de conservación de la materia

Para este experimento necesitamos:

  • bicarbonato de sodio (4gr)
  • vinagre (10 ml)
  • una balanza para pesar
  • un frasco con boca ancha y tapa
  • tubos de ensayo

Primera actividad

experimento ley de conservación de la materia
Experimento fácil para demostrar la ley de conservación de la materia.

Sobre una balanza, colocamos un frasco de boca ancha con 2 gramos de bicarbonato de sodio y dentro de este un tubo de ensayo con 5 ml de vinagre. Pesamos y anotamos el valor. Luego derramamos el contenido del tubo de ensayo dentro del frasco. Cuando acaben las burbujas, anotamos el nuevo valor del peso.

Segunda actividad

Sobre la misma balanza, colocamos un frasco de boca ancha con 2 gramos de bicarbonato de sodio y dentro de este un tubo de ensayo con 5 ml de vinagre y cerramos el frasco. Pesamos y anotamos el valor. Luego tomamos el frasco y derramamos el contenido del tubo de ensayo en su interior. Cuando acaben las burbujas, anotamos el nuevo valor del peso.

Precaución: debido a la formación de gas (dióxido de carbono) aumenta la presión dentro del frasco cerrado. Se debe tener mucho cuidado al abrirlo, haciéndolo lentamente para que el gas se libere poco a poco.

Conclusión

El vinagre es ácido acético diluido. El ácido acético reacciona con el bicarbonato de sodio para formar acetato de sodio y dióxido de carbono, según la siguiente ecuación;

negrita CH subíndice negrita 3 negrita COOH subíndice negrita paréntesis izquierdo negrita ac negrita paréntesis derecho fin subíndice negrita más negrita NaHCO subíndice negrita 3 negrita paréntesis izquierdo negrita s negrita paréntesis derecho fin subíndice negrita flecha derecha negrita Na subíndice negrita paréntesis izquierdo negrita ac negrita paréntesis derecho fin subíndice superíndice negrita más negrita más negrita CH subíndice negrita 3 negrita COO subíndice negrita paréntesis izquierdo negrita ac negrita paréntesis derecho fin subíndice superíndice negrita menos negrita más negrita CO subíndice negrita 2 negrita paréntesis izquierdo negrita g negrita paréntesis derecho fin subíndice negrita más negrita H subíndice negrita 2 negrita O subíndice negrita paréntesis izquierdo negrita l negrita paréntesis derecho fin subíndice

En la primera actividad, al reaccionar el vinagre con el bicarbonato de sodio, el dióxido de carbono se libera a la atmósfera ya que el frasco está abierto. En este caso el peso disminuye.

En la segunda actividad, se forma igual dióxido de carbono, pero como el frasco está tapado (sistema cerrado), el peso no cambia. De esta forma se demuestra que la materia no desaparece.

Vea también Reacciones químicas.

Ley de conservación de la materia y la energía

Albert Einstein estableció en su teoría de la relatividad especial:

"...la masa de un cuerpo es una medida de su contenido de energía..."

El contenido total de energía de un cuerpo puede calcularse multiplicando su cuerpo con la velocidad de la luz al cuadrado:

negrita E negrita igual negrita mc elevado a negrita 2

De acuerdo a esto, no hay distinción efectiva entre masa y energía: la energía y la masa son equivalentes. De hecho, la ley de la conservación de la materia deriva de la conservación de la energía. Si un cuerpo pierde energía también pierde masa; realmente esto no es pérdida sino una transferencia al entorno.

Ejemplo

En la combustión de 342 g de azúcar común (sacarosa):

negrita C subíndice negrita 12 negrita H subíndice negrita 22 negrita O subíndice negrita 11 negrita paréntesis izquierdo negrita s negrita paréntesis derecho fin subíndice negrita más negrita 12 negrita O subíndice negrita 2 negrita paréntesis izquierdo negrita g negrita paréntesis derecho fin subíndice negrita flecha derecha negrita 12 negrita CO subíndice negrita 2 negrita paréntesis izquierdo negrita g negrita paréntesis derecho fin subíndice negrita más negrita 11 negrita H subíndice negrita 2 negrita O subíndice negrita paréntesis izquierdo negrita l negrita paréntesis derecho fin subíndice

se libera 5.635 kJ de energía. Esta cantidad de energía equivale a 6,269 x 10-11 kg, una cantidad extremadamente pequeña de masa difícil de medir con las técnicas actuales.

Ejercicios para aplicar la ley de conservación de la materia

Ejercicio 1

Al calentar 10 g de carbonato de calcio (CaCO3) se produce 4,4 g de dióxido de carbono (CO2) y 5,6 g de óxido de calcio (CaO). ¿Se cumple la ley de conservación de la masa en este experimento?

Solución: Tenemos que calcular las masa de los reactantes y la masa de los productos:

negrita espacio negrita CaCO subíndice negrita 3 negrita flecha derecha con negrita calor encima negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita CaO negrita espacio negrita más negrita espacio negrita CO subíndice negrita 2 paréntesis izquierdo negrita 10 negrita g negrita paréntesis derecho negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita paréntesis izquierdo negrita 5 negrita coma negrita 6 negrita g negrita paréntesis derecho negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita paréntesis izquierdo negrita 4 negrita coma negrita 4 negrita g negrita paréntesis derecho negrita reactante negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita espacio negrita productos

La masa de los productos es igual a 5,6g + 4,4g=10g.

Tenemos entonces, como es esperado, que 10 gramos de CaCO3 se transforman en 10 gramos de productos CaO y CO2.

Ejercicio 2

El amoníaco NH3 se produce por la reacción del nitrógeno y el hidrógeno:

negrita N subíndice negrita 2 negrita paréntesis izquierdo negrita g negrita paréntesis derecho fin subíndice negrita más negrita 3 negrita H subíndice negrita 2 negrita paréntesis izquierdo negrita g negrita paréntesis derecho fin subíndice negrita flecha derecha negrita 2 negrita NH subíndice negrita 3 negrita paréntesis izquierdo negrita g negrita paréntesis derecho fin subíndice

¿Cuál es la cantidad de masa de amoníaco máxima que puede producir la mezcla de 1000 g N2 y 500 g de H2? ¿Cuál es la masa del material inicial que no reaccionó?

Solución: Según la ecuación de la reacción, 1 mol de nitrógeno reacciona con 3 moles de hidrógeno para dar 2 moles de amoníaco. Conociendo el peso molecular, calculamos cuanta masa de nitrógeno reacciona con hidrógeno. Un mol de N2 tiene una masa de 28 g, 3 moles de H2 tienen una masa de 6g.

Entonces 28 g de N2 reaccionan con 6 g de H2,1000 g de N2 reaccionaran con:

negrita 28 negrita espacio negrita g negrita espacio negrita N subíndice negrita 2 negrita flecha derecha negrita 6 negrita espacio negrita g negrita espacio negrita H subíndice negrita 2 negrita 1000 negrita espacio negrita g negrita espacio negrita N subíndice negrita 2 negrita flecha derecha negrita X negrita X negrita igual fracción numerador negrita 1000 negrita espacio negrita g negrita espacio negrita N subíndice negrita 2 negrita multiplicación en cruz negrita 6 negrita espacio negrita g negrita espacio negrita H subíndice negrita 2 entre denominador negrita 28 negrita espacio negrita g negrita espacio negrita N subíndice negrita 2 fin fracción negrita igual negrita 214 negrita coma negrita 29 negrita espacio negrita g negrita espacio negrita H subíndice negrita 2

Luego, 1000 g de N2 más 214,20 g de H2 producen la cantidad máxima de 1214,20 g de amoníaco. Esto quiere decir que el material que no reaccionó fue el hidrógeno:

negrita 500 negrita coma negrita 00 negrita espacio negrita g negrita espacio negrita H subíndice negrita 2 negrita paréntesis izquierdo negrita inicial negrita paréntesis derecho fin subíndice negrita menos negrita 214 negrita coma negrita 29 negrita espacio negrita g negrita espacio negrita H subíndice negrita 2 negrita paréntesis izquierdo negrita utilizado negrita paréntesis derecho fin subíndice negrita igual negrita 285 negrita coma negrita 71 negrita espacio negrita g negrita espacio negrita H subíndice negrita 2 negrita paréntesis izquierdo negrita restante negrita paréntesis derecho fin subíndice

Ejercicio 3

En la siguiente reacción:

negrita P subíndice negrita 4 negrita paréntesis izquierdo negrita s negrita paréntesis derecho fin subíndice negrita más negrita F subíndice negrita 2 negrita paréntesis izquierdo negrita g negrita paréntesis derecho fin subíndice negrita flecha derecha negrita PF subíndice negrita 3 negrita paréntesis izquierdo negrita g negrita paréntesis derecho fin subíndice

¿Cuál es la masa de flúor (F2) necesaria para producir 120 g de PF3? El peso atómico del fósforo P es 31 g/mol y el del flúor es 19 g/mol.

Solución: primero tenemos que verificar que la ecuación está balanceada. Hay 4 átomos de P en los reactantes y 1 átomo de P en los productos. Si colocamos un 6 delante del F2 y un 4 delante PF3, balanceamos la ecuación de la siguiente forma:

negrita P subíndice negrita 4 negrita paréntesis izquierdo negrita s negrita paréntesis derecho fin subíndice negrita más negrita 6 negrita F subíndice negrita 2 negrita paréntesis izquierdo negrita g negrita paréntesis derecho fin subíndice negrita flecha derecha negrita 4 negrita PF subíndice negrita 3 negrita paréntesis izquierdo negrita g negrita paréntesis derecho fin subíndice

Elemento Reactantes Productos
Fosforo (P) 4 4
Flúor (F) 12 12

Ahora sabemos que 1 mol de P4 más 6 moles de F2 producen 4 moles de PF3, por lo tanto, 124 g de P4 más 228 g de F2 producen 352 g de PF3. Queremos saber cuánto de flúor se necesita para producir 120 g de trifluoruro de fosforo.

negrita 352 negrita espacio negrita g negrita espacio negrita PF subíndice negrita 3 negrita flecha derecha negrita 228 negrita espacio negrita g negrita espacio negrita F subíndice negrita 2 negrita 120 negrita espacio negrita g negrita espacio negrita PF subíndice negrita 3 negrita flecha derecha negrita X negrita X negrita igual fracción numerador negrita 120 negrita espacio negrita g negrita espacio negrita PF subíndice negrita 3 negrita multiplicación en cruz negrita 228 negrita espacio negrita g negrita espacio negrita F subíndice negrita 2 entre denominador negrita 352 negrita espacio negrita g negrita espacio negrita PF subíndice negrita 3 fin fracción negrita igual negrita 77 negrita coma negrita 7 negrita espacio negrita g negrita espacio negrita F subíndice negrita 2

Respuesta: se necesita 77,7 g de F2 para producir 120 gr de PF3.

Vea también Propiedades de la materia.

Ana Zita
Ana Zita
Doctora en Bioquímica por el Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas (IVIC), con licenciatura en Bioanálisis de la Universidad Central de Venezuela.