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:
- 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) - 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) - 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) - 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 10⁻⁴ y 10⁻⁶
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.
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