Conservación de la masa

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La ley de conservación de la masa establece que la masa no se crea ni se destruye, sino que se reorganiza. En una reacción química, la masa total de los reactivos debe ser igual a la masa total de los productos, siempre que el sistema sea cerrado o aislado y no haya pérdida de materia.

Figura 1. [Marie-Anne Paulze Lavoisier] fue clave en la química moderna. Colaboró con Antoine Lavoisier como traductora, ilustradora, editora y asistente de laboratorio. Sus traducciones criticaron la teoría del flogisto y apoyaron estudios sobre combustión, oxígeno y materia. Tras la muerte de Antoine, preservó y publicó sus memorias científicas.

Figura 2. [Antoine Lavoisier] fue clave en la química moderna. Usó la balanza y mediciones precisas para demostrar la conservación de la masa. Explicó la combustión como reacción con oxígeno, rechazó el flogisto y reformó la nomenclatura química. Su obra convirtió la química en una ciencia experimental, cuantitativa y rigurosa.

Históricamente, esta ley fue demostrada por Mikhail Lomonosov y luego redescubierta por Antoine Lavoisier, convirtiéndose en una base de la química moderna. Su formulación permitió superar explicaciones alquímicas y entender las reacciones como procesos medibles, donde la materia cambia de forma, pero no desaparece.

Sin embargo, la conservación de la masa es una aproximación propia de la mecánica clásica y de procesos químicos de baja energía. En fenómenos nucleares o relativistas, debe hablarse de conservación de masa-energía, pues la masa puede transformarse en energía. En sistemas abiertos, además, la masa puede variar por intercambio de materia con el entorno.

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.

Figura 3. [Mikhail Lomonosov] fue un científico ruso clave en química, física y educación. Formuló tempranamente la ley de conservación de la masa, estudió reacciones químicas, metales, vidrios y minerales, y defendió una visión corpuscular de la materia. También impulsó la ciencia rusa y participó en la fundación de la Universidad de Moscú.

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 4. [Hans Heinrich Landolt] fue clave en la química física y la medición experimental. Verificó con precisión la ley de conservación de la masa usando sistemas cerrados y balances sensibles. También estudió cinética química mediante la reacción de Landolt y propiedades ópticas como la polarización de la luz, fortaleciendo la química cuantitativa moderna.

Figura 5. [Experimento de Landolt]. La imagen muestra a Hans Landolt en su laboratorio, trabajando con una balanza de precisión y tubos de reacción. Sus experimentos verificaban la conservación de la masa en sistemas cerrados. Los tubos se pesaban en pares para compensar la boyancia del aire, comparando la masa antes y después de una 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:

(a) 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)

(b) 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)

(c) 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)

(d) 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 6.  [Versión escolar del experimento de Hans Landolt]. La imagen representa una versión escolar del experimento de Landolt para demostrar la conservación de la masa. Dos soluciones reaccionan en un sistema cerrado, formando un precipitado sin cambiar la masa total: 300,23 g antes y después. El recipiente cerrado evita pérdidas de materia, especialmente de gases invisibles.

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

Bose, S. K. (2015). The atomic hypothesis. Current Science, 108(5), 998–1002.

Holmes, F. L. (1985). Lavoisier and the chemistry of life: An exploration of scientific creativity. Univ of Wisconsin Press.

Jensen, W. B. (2019). Hans Landolt and the Conservation of Mass: Notes from the Oesper Collections, No. 55, March/April 2019.

Kirk, G. S., Raven, J. E., & Schofield, M. (1983). The presocratic philosophers: A critical history with a selection of texts. Cambridge university press.

Leroux, G. (1992). The Hellenistic Philosophers Volume 1: Translations of the Principal Sources with Philosophical Commentary Volume 2: Greek and Latin Texts with Notes and BibliographyA. A. Long et DN Sedley Cambridge, Cambridge University Press, 1987, vol. 1, xvi, 512 p.; Dialogue: Canadian Philosophical Review/Revue Canadienne de Philosophie, 31(1), 121–123.

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.

Pomper, P. (1962). Lomonosov and the Discovery of the Law of the Conservation of Matter in Chemical Transformations. Ambix, 10(3), 119–127.

Usitalo, S. (2013). The invention of Mikhail Lomonosov: a Russian national myth. Academic Studies Press.

Wang, L. J. (2017). A critique on Einstein’s mass-energy relationship and Heisenberg’s uncertainty principle. Physics Essays, 30(1), 75–87.