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sábado, 26 de abril de 2025

Conservación de la masa




En física y química, la ley de conservación de la masa establece que, en un sistema cerrado, la masa debe permanecer constante a lo largo del tiempo, independientemente de las transferencias de materia y energía. Esto significa que la masa no puede cambiar; no se puede agregar ni quitar masa al sistema. Así, la cantidad de masa se conserva.

Esta ley implica que la masa no puede ser creada ni destruida, aunque sí puede reorganizarse en el espacio o cambiar de forma. En el caso de las reacciones químicas, la masa de los reactivos antes de la reacción es igual a la masa de los productos después de la reacción. Por tanto, durante cualquier reacción química o proceso termodinámico de baja energía en un sistema aislado, la masa total de los reactivos debe ser igual a la masa total de los productos

El concepto de conservación de la masa tiene una amplia aplicación en diversas áreas como la química, la mecánica y la dinámica de fluidos. Históricamente, Mikhail Lomonosov fue el primero en demostrar esta ley de forma independiente, y más tarde Antoine Lavoisier la redescubrió a fines del siglo XVIII. La formulación de esta ley marcó un avance crucial en la transición de la alquimia a la química moderna.

Sin embargo, en términos estrictos, la conservación de la masa solo se cumple aproximadamente y es un supuesto fundamental dentro de la mecánica clásica. Para ajustarse a las leyes de la mecánica cuántica y la relatividad especial, esta ley debe ser modificada, ya que el principio de equivalencia masa-energía establece que tanto la masa como la energía forman una cantidad conservada. En sistemas con altas energías, como en las reacciones nucleares o la aniquilación de partículas-antipartículas, la conservación de la masa por sí sola ya no se aplica.

Además, en sistemas abiertos, donde se permite el intercambio de energía y materia con el entorno, la masa no se conserva de manera estricta. Aunque, fuera de fenómenos como la radiactividad o las reacciones nucleares, los cambios de masa asociados con el flujo de energía (en forma de calor, trabajo mecánico o radiación electromagnética) son generalmente demasiado pequeños para detectarse como una alteración significativa de la masa total del sistema. En presencia de campos gravitatorios intensos, es necesario considerar los efectos de la relatividad general, lo que hace que la conservación de masa-energía se convierta en un concepto más complejo y sujeto a diferentes interpretaciones. En este contexto, ni la masa ni la energía se conservan de manera tan sencilla como en el caso de la relatividad especial

Los filósofos hindúes y griegos

Ya en el año 520 a. C., la filosofía jainista, una filosofía no creacionista basada en las enseñanzas de Mahavira, afirmó que el universo y sus componentes, como la materia, no se pueden destruir ni crear. Una idea importante en la filosofía griega antigua era que "Nada viene de la nada", por lo que lo que existe ahora siempre ha existido: ninguna materia nueva puede surgir donde antes no existía. Una declaración explícita de esto, junto con el principio adicional de que nada puede convertirse en nada, se encuentra en Empédocles (c. siglo IV a. C.): "Porque es imposible que algo venga a ser de lo que no es, y no puede ser". Epicuro declaró otro principio de conservación alrededor del siglo III a. C., quien escribió al describir la naturaleza del Universo que "la totalidad de las cosas siempre fue tal como es ahora, y siempre será".

Primeros estudios científicos

En el siglo XVIII, el principio de conservación de la masa durante las reacciones químicas ya se usaba ampliamente y era una suposición fundamental en los experimentos, incluso antes de que se estableciera formalmente una definición o prueba concreta, como se observa en los trabajos de Joseph Black, Henry Cavendish y Juan Rey (Whitaker, 1975). El primero en esbozar este principio fue Mikhail Lomonosov en 1756. Es posible que lo haya demostrado experimentalmente, y ciertamente discutió el principio en 1748 en correspondencia con Leonhard Euler, aunque su afirmación sobre el tema ha sido objeto de debate.

Posteriormente, Antoine Lavoisier llevó a cabo una serie de experimentos más refinados, presentando su conclusión en 1773 y popularizando el principio de conservación de la masa. Sus demostraciones refutaron la entonces aceptada teoría del flogisto, que sostenía que se podía ganar o perder masa durante los procesos de combustión y calor.

Durante milenios, la conservación de la masa fue un concepto poco claro debido al efecto de flotabilidad de la atmósfera terrestre sobre el peso de los gases emitidos en muchas reacciones de combustión y desplazamiento ácido-base. Así, además de una balanza, se requería un sistema que impidiera el escape de materia. Un ejemplo de esto es que un trozo de madera pesa menos después de ser quemado, lo que parecía sugerir que parte de su masa desaparecía, se transformaba o se perdía en forma de calor, lo cual formaba parte de la teoría del flogisto 

El experimento de Landolt

A pesar de que los libros de texto generalmente no lo mencionan, la cuestión de la ley de la conservación de la masa permaneció abierta durante algunos años tras los experimentos de Lavoisier, ya que los diseños experimentales previos caían en razonamientos circulares.

Figura 1.  (A) Hans Landolt (1831-1910) (B) Una fotografía de la balanza de Landolt con dos de sus tubos de reacción contrapesados: el de la izquierda antes de la reacción y el de la derecha después de la reacción. Los tubos siempre se pesaron uno contra el otro en pares para compensar la flotabilidad-boyancia del aire. (C ) Los dos reactivos, A y B, estaban en brazos separados del tubo antes de la inversión para iniciar la reacción química.

 No fue sino hasta 1893 que el químico físico suizo-alemán Hans Landolt llevó a cabo una serie de experimentos diseñados para probar explícitamente esta ley. Utilizando una balanza especialmente diseñada y tubos de reacción sellados herméticamente, Landolt probó cuatro sistemas de reacción diferentes para evaluar la conservación de la masa:

  1. La reacción entre el sulfato de hierro y el sulfato de plata para producir plata y trisulfato de dihierro, donde el acto de la reacción se indicó visualmente por la formación de un espejo de plata:
    Fe₂(SO₄)₃(aq) + 3Ag₂SO₄(aq) → 2Ag(s) + Fe₂(SO₄)₃(aq)
  2. La reacción entre el yodato de hidrógeno y una mezcla de ácido sulfúrico/yoduro de potasio para producir diyodo, hidrogenosulfato de potasio y agua, donde el acto de la reacción se indicó visualmente por la formación del color marrón del diyodo acuoso:
    H(IO₃)(aq) + 5H₂SO₄(aq) + 5KI(aq) → 3I₂(aq) + 5KHSO₄(aq) + 3H₂O(l)
  3. La reacción entre el sulfito disódico y el diyodo para producir yoduro de sodio y ditonato disódico, donde el acto de la reacción se indicó visualmente por la desaparición del color marrón del diyodo acuoso:
    Na₂SO₃(aq) + I₂(aq) → 2NaI(aq) + Na₂S₂O₆(aq)
  4. La reacción entre el hidrato de cloral y el hidróxido de potasio para producir cloroformo, formiato de potasio y agua, donde el acto de la reacción se indicó visualmente por la formación de una capa de cloroformo insoluble en agua:
    CCl₃CH(OH)₂(aq) + 3KOH(aq) → HCCl₃(l) + KCHOO(aq) + 2H₂O(l)

Se encontró que las diferencias de masa antes y después de la reacción eran siempre del orden de entre 10 y 10 gramos, y por lo tanto, eran el posible resultado de un error experimental, lo que llevó a Landolt a concluir: "Ninguna de las reacciones empleadas muestra un cierto cambio de peso. Si, después de todo, ocurrieran tales cambios, deben ser tan pequeños que no tengan importancia práctica para el químico".

Figura 2.  Variación escolar idealizada del experimento de Landolt. El contenedor cerrado evita que los gases de la combustión invisibles escapen, permitiendo medir la masa final total sin que escape materia.

En este sentido, es importante recordar que los experimentos, por muy bien diseñados que estén, siempre presentan cierto nivel de error experimental. Por ejemplo, es posible que el operario mida incorrectamente la masa de los reactivos. Por esta razón, hoy en día los experimentos se realizan con un mínimo de tres réplicas y se aplican métodos estadísticos.

Consecuencias

Una vez comprendida, la conservación de la masa fue de gran importancia en el progreso de la alquimia hacia la química moderna. Cuando los primeros químicos intuyeron a priori que las sustancias químicas nunca desaparecían, sino que solo se transformaban en otras sustancias con el mismo peso, estos científicos pudieron, por primera vez, embarcarse en estudios cuantitativos de las transformaciones de las sustancias. La idea de la conservación de la masa, junto con la suposición de que ciertas "sustancias elementales" tampoco podían transformarse en otras mediante reacciones químicas, condujo a una comprensión más profunda de los elementos químicos. Además, introdujo la idea de que todos los procesos y transformaciones químicas (como la quema de materiales o las reacciones metabólicas) son reacciones entre cantidades o pesos invariantes de estos elementos químicos.

Siguiendo el trabajo pionero de Lavoisier, los exhaustivos experimentos de Jean Stas y Landolt confirmaron la consistencia de esta ley en las reacciones químicas, aunque se realizaron con otras intenciones. La ley de la conservación de la masa se emplea en la actualidad principalmente para sistemas no relativistas y no nucleares, que afortunadamente constituyen la inmensa mayoría de los procesos químicos experimentales e industriales. De este modo, la ley de la conservación de la masa puede definirse para un sistema no nuclear/relativista como: La masa no se crea ni se destruye, solo se transforma.

Referencias

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Martins, R. de A. (2019). Émile Meyerson and mass conservation in chemical reactions: a priori expectations versus experimental tests. Foundations of Chemistry, 21(1), 109–124.

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