Ley de conservación de la materia

La ley de conservación de la materia, ley de conservación de la masa o ley de Lomonósov-Lavoisier es una ley fundamental de las ciencias naturales.^[1]​^[2]​^[3]​^[4]​ Fue elaborada independientemente por Mijaíl Lomonósov en 1748 y descubierta unos años después por Antoine Lavoisier en 1785.^[5]​ Se puede enunciar de la siguiente manera:^[3]​

«En un sistema aislado, durante toda reacción química ordinaria, la masa total en el sistema permanece constante, es decir, la masa consumida de los reactivos es igual a la masa de los productos obtenidos».^[1]​^[6]​

La ley implica que la masa no se puede crear ni destruir, pero puede transformarse en el espacio, o las entidades asociadas con ella pueden cambiar de forma.^[1]​^[2]​ Por ejemplo, en las 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.^[1]​^[2]​^[4]​

Reacción química en la cual una molécula de metano y dos moléculas de oxígeno reaccionan por combustión y se producen dos moléculas de agua y una de dióxido de carbono. Antes y después de la reacción el número de átomos de oxígeno (4), hidrógeno (4) y carbono (1) es el mismo. Por lo tanto la masa total de los reactivos, la suma de la masa de todos los átomos, es igual a la masa total de los productos. Véase estequiometría.^[1]​^[7]​

Esta ley es bastante precisa para procesos de baja energía, como es el caso de las reacciones químicas. En el caso de reacciones nucleares o colisiones entre partículas en altas energías, en las que la definición clásica de masa no aplica, hay que tener en cuenta la equivalencia entre masa y energía.^[8]​

Historia

La aparente pérdida de masa durante procesos de combustión era uno de los grandes problemas de la química del siglo XVIII. En 1679, los experimentos preliminares de Robert Boyle parecían indicar un desbalance en la masa: pesaba meticulosamente varios metales que antes y después de su oxidación mostraban un notable aumento de peso. Estos experimentos, se llevaban a cabo en recipientes abiertos.^[9]​

El interés de Lavoisier por el tema se despertó durante sus trabajos relacionados en el alumbrado público de París. Había observado que al calentar metales como el estaño y el plomo en recipientes cerrados con una cantidad limitada de aire, estos materiales se recubrían con una capa de calcinado hasta un momento determinado del calentamiento, en el resultado la masa era igual que antes de comenzar el proceso. Si el metal había ganado masa al calcinarse era aparente que algo del recipiente debía haber perdido la misma cantidad de masa, como era el caso del aire adentro del recipiente. Por tanto, Lavoisier demostró que la calcinación de un metal no era el resultado de la pérdida del propuesto flogisto, una esencia relacionada con la disminución de gases en el recipiente. La experiencia anterior y otras más realizadas por Lavoisier pusieron de manifiesto que si se tiene en cuenta todas las sustancias que forman parte en una reacción química y todos los productos formados, la masa nunca varía. Esta es la ley de la conservación de la masa, enunciándola de la siguiente manera: «En toda reacción química la masa se conserva, es decir, la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos».

Ejemplos en reacciones químicas

Ejemplo 1: Combustión de una vela

Cuando una vela arde no se gana ni se pierde masa. La masa total de la cera y del oxígeno molecular (O₂) presente antes de la combustión es igual a la masa total de dióxido de carbono (CO₂), vapor de agua (H₂O) y cera sin quemar que quedan cuando la vela se apaga.

Por lo tanto:

Masa de cera + masa de O₂ → Masa de CO₂ + Masa de H₂O + Masa de cera sin quemar.          

No se produce ningún cambio de la masa total durante la reacción química.

Ejemplo 2: Oxidación del hierro

La conservación de la masa explica cómo es que el óxido de hierro (Fe
2O
3), que es hierro (Fe) combinado con oxígeno (O₂), pueda pesar más que el hierro puro.

La sustancia reacciona con O₂, esto es:

4Fe + 3O
2 → 2Fe
2O
3.

En este caso, cuando el hierro se oxida, se combina de manera que tres partes de oxígeno reaccionan con cuatro partes de hierro. La nueva sustancia contiene no sólo la masa original del hierro sino que además contiene la masa del oxígeno implicado en la reacción de oxidación.

Esto es solo un ejemplo de una reacción para la obtención de óxido de hierro, el proceso puede ser más complejo si se involucra vapor de agua. Véase herrumbre.

Ejemplo 3: Ácido clorhídrico

La reacción química entre el hidrógeno gaseoso (H₂) y el cloro gaseoso (Cl₂) da como resultado ácido clorhídrico (HCl):

H
2 +  Cl
2 → 2HCl.

Los átomos de los reactivos no se destruyen, se combinan y se transforman en una nueva sustancia.

Limitaciones

La conservación de la masa es una ley de conservación aproximativa. En otros procesos no químicos, la masa total del sistema no tiene por qué conservarse estrictamente. Por ejemplo, en la fisión nuclear existe una diferencia de masa ${\displaystyle \Delta m\neq 0}$  entre los productos finales y los reactivos iniciales de la fisión, eso es lo que permite proporcionar una energía ${\displaystyle \Delta E=\Delta mc^{2}}$  dónde c es la velocidad de la luz. Por la misma razón, la energía tampoco se conserva en este tipo de reacciones. La generalización de la conservación de la masa para reacciones de altas energías se conoce cómo la equivalencia entre masa y energía.

Véase también

• Balance de materia
• Conservación de la energía
• Ley de la composición definida
• Ley de las proporciones múltiples

Referencias

1. «The Conservation of Mass | Learn Science at Scitable». www.nature.com. Consultado el 10 de enero de 2021. 
2. «Conservation of mass | physics». Encyclopedia Britannica (en inglés). Consultado el 10 de enero de 2021. 
3. «Conservation of Mass Principle - an overview | ScienceDirect Topics». www.sciencedirect.com. Consultado el 10 de enero de 2021. 
4. Society, National Geographic. «Conservation of Energy and Mass». www.nationalgeographic.org (en inglés). Consultado el 10 de enero de 2021. 
5. Pomper, Philip (1962-10). «Lomonosov and the Discovery of the Law of the Conservation of Matter in Chemical Transformations». Ambix (en inglés) 10 (3): 119-127. ISSN 0002-6980. doi:10.1179/amb.1962.10.3.119. Consultado el 10 de enero de 2021. 
6. Otro enunciado popular: «La materia ni se crea ni se destruye, sólo se transforma.»
7. «Law of conservation of mass - Calculations in chemistry - AQA - GCSE Combined Science Revision - AQA Trilogy». BBC Bitesize (en inglés británico). Consultado el 10 de enero de 2021. 
8. «Conservation of Mass - an overview | ScienceDirect Topics». www.sciencedirect.com. Consultado el 10 de enero de 2021. 
9. Morcillo, Jesús (1989). Temas básicos de química (2ª edición). Alhambra Universidad. p. 11-12. ISBN 9788420507828. 

•   Datos: Q483948