UNIVERSIDAD REGIONAL AMAZÓNICA IKIAMLABORATORIO DE QUÍMICA II

¨LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MATERIA”

AUTORES:ALVARADO JOAOROMÁN HORUS

SAAVEDRA CARLOSVICENTE KATIAZAMORA JOEL

27 de Mayo del 2016

SUPERVISORES:Dra. YANET VILLASANA

Ing. ROCÍO JIMÉNEZ

ResumenLa ley de la conservación de la materia (LCM), es una de las leyes fundamentales en todas las ciencias naturales. Postula que la cantidad de materia antes y después de una reacción es siempre la misma. Es decir, la materia no se crea ni se destruye, se transforma. En la presente práctica se pretende validar o desmentir dicha ley mediante la ejecución de dos actividades. La primera actividad consistió en una reacción con desprendimiento de gas al hacer reaccionar bicarbonato de sodio (NaHCO3) con ácido nítrico (HNO3). La segunda actividad constó de la formación de un precipitado al mezclar una disolución de hidróxido de sodio (NaOH) con una disolución de sulfato de cobre (CuSO4). En ambos experimentos se cuantificó la masa del sistema a estudio antes y después de la reacción. En ambas actividades se comprobó la LCM, sin embargo en las dos actividades existió una disminución de la masa. en la primera actividad se atribuyó esta variación a que los reactivos no reaccionaron en su totalidad; y en la segunda actividad varió, probablemente por error humano debido a la incorrecta manera de pesar los reactivos y productos.

INTRODUCCIÓNLa ciencia moderna se integra de un conglomerado de conocimientos elaborados a partir de procesos sistemáticos basadas en el método científico y por ende todas las teorías, principios y leyes generales que conocemos hoy en día se han forjado gracias al fallo-error que conlleva dicho proceso. Con la tecnología y los conocimientos existentes en la actualidad es muy fácil refutar muchas de las erradas teorías antiguas propuestas en el ámbito científico de aquellas épocas, en las que se intentaba demostrar el porqué de los fenómenos que ocurrían en la naturaleza. Una de las más criticadas y quizás una de las que más detuvo el proceso de comprensión y modernización de la química fue la teoría del flogisto, desarrollada en parte por Johann Joachim Becher, misma que establecía que el flogisto era un componente presente en sustancias inflamables, las mismas que al arder desprendían dicho flogisto (Bertomeu, 2006).

No fue hasta 1774, cuando Antoine Lavoisier desmintió la existencia de tal flogisto mediante una serie de experimentos en los cuales consideraba las masas de cada uno de los reactivos participantes incluido el aire, de esta forma demostró que en la combustión es necesaria la participación del oxígeno presente en el mismo, contribuyendo así con pruebas verídicas a la ley de conservación de masas (a continuación denotada como LCM), la misma que afirma que “La masa total de las sustancias presentes después de una reacción química es la misma que la masa total de las sustancias antes de la reacción” (Petrucci, 2011).

Los cambios estructurales de la materia no son más que las reacciones químicas que parten desde sustancias en un estado inicial conocidas como reactivos, a otras diferentes en un estado final denominadas productos (Contreras, 2004) y en todas ellas aplica la misma LCM sin excepción, misma que se puede evidenciar por las emulsiones, soles, aerosoles, geles o espumas formados, y gracias a estas reacciones químicas es posible aislar o purificar sustancias y elementos para de esta manera obtener productos que faciliten la elaboración de nuevos materiales.

Es muy usual demostrar el cumplimiento de la LCM efectuando reacciones químicas sencillas las cuales pueden diferir entre si dependiendo de la relación entre la cantidad de un elemento o compuesto disuelta y la cantidad de disolvente existente en una disolución también conocida como concentración, misma que se puede reducir mediante un proceso denominado dilución que consiste en adicionar agua destilada a la disolución (Brown T. L., 2009).

Sin embargo, en muchos de los casos existen inconvenientes por la disparidad de las masas obtenidas entre los reactivos y los productos de cada reacción. Muchos de estos errores ocurren debido a las condiciones a las que se exponga dicha experimentación tales como presión, temperatura y humedad, o a la vez son causados debido a fenómenos físicos tales como las fuerzas de flotación. Con esta práctica se pretende demostrar la LCM efectuando dos reacciones químicas diferentes mezclando por separado bicarbonato de sodio (NaHCO3) con ácido nítrico (HNO3) y hidróxido de sodio (NaOH) con sulfato cúprico (CuSO4).

METODOLOGÍAPara demostrar experimentalmente la ley de conservación de la masa se realizaron dos experimentos: en el primero se creó una disolución de HNO3 con una concentración de 3.7% en relación masa-volumen. Por medio de cálculos estequiométricos se determinó que la cantidad de HNO3 sería de 0.74g y se aforaría hasta los 20ml con agua destilada. Sin embargo, el HNO3 cuenta con una riqueza del 56% en relación masa-masa, con la cual se realizaron nuevos cálculos estequiométricos en relación de una muestra de riqueza al 100%, dicho resultado fue de 1.32g de HNO3. Con esta masa y con la densidad del HNO3, de 1.18g/mL, se determinó que el volumen necesario de HNO3

sería 1.12mL. Previamente en una probeta de 100mL se depositó inicialmente 10mL de agua destilada para así poder añadir los 5mL de la disolución de HNO3 y se aforó, con agua destilada, hasta los 20mL de la probeta. Se colocó el contenido de la probeta en un matraz Erlenmeyer de 250mL. Previamente se había pesado 1 gramo de NaHCO3 en un vaso de precipitación, el cual se almacenó en el interior de un globo. Se incorporó el globo a la boca del matraz evitando que su contenido entre en contacto con la disolución. La unión del matraz y el globo es el sistema a estudio. Se pesó el sistema para registrar su masa antes de que ocurra la reacción entre los 20mL de HNO3 al 3.7% y el gramo de NaHCO3. Al visualizar que la reacción entre ambos reactivos había finalizado, se volvió a pesar el sistema. El segundo experimento consistió en la creación de 2 disoluciones: una de CuSO4 y otra de NaOH.La disolución de CuSO4 fue elaborada de tal manera que exista una concentración de 5% en relación masa-volumen. Mediante la utilización de estequiometria se determinó que la disolución contendría 1 gramo de CuSO4 en 20mL de agua destilada. Sin embargo, el sulfato de cobre no se encuentra en su estado anhídro, sino en su estado hidratado (CuSO4 ∙5H 2O), así que se tuvo que determinar la cantidad de sulfato de cobre pentahidratado que debía estar presente en los 20mL. Dicho valor, obtenido por cálculos estequiometricos, fue de 1.56 gramos.Por otro lado, la disolución de NaOH fue elaborada con una concentración de 2,8% en relación masa-volumen. Por estequiometria se fijó que la cantidad de NaOH a ser disueltos en los 20mL de agua destilada, sería de 0.56 gramos. No obstante, el NaOH del laboratorio tiene una pureza de 98% en relación masa-masa, pero era requerido que ésta relación sea de 100%, así que, con ayuda de la pureza, se precisó que serían necesarios 0,57 gramos de NaOH. Posteriormente se guardó 2 tubos de ensayo vacíos dentro de un vaso de precipitación para pesarlos en la balanza analítica y tararlos para descartar su masa. A continuación se aislaron 5mL de la disolución de CuSO4 y 5mL de la disolución de NaOH, en tubos de ensayo distintos. Los tubos fueron previamente marcados con el nombre de la disolución que contendrían. Se volvió a pesar el sistema ya con las 2 disoluciones para determinar su masa antes de reaccionar. Consecutivamente se vertió la disolución de NaOH en el tubo de ensayo con la disolución de CuSO4, se agitó por 1 minuto y se dejó reposar para cuantificar nuevamente su masa.

DISCUSIÓN DE RESULTADOSACTIVIDAD 1A partir de la reacción de bicarbonato de sodio (NaHCO3) con el ácido nítrico (HNO3) se obtuvo nitrato de sodio, dióxido de carbono y agua. La formación de estos productos se debe a que es una reacción de neutralización con desprendimiento de gas. En este caso el bicarbonato de sodio actúa como base y el ácido nítrico como ácido. El componente básico, que es el bicarbonato de sodio, al reaccionar con el ácido nítrico en una solución acuosa se separa en el ion sodio e ion bicarbonato, este segundo ion tiende a formar el dióxido de carbono, dándole esa característica de reacción de neutralización con desprendimiento de gas (Brown, Lemay, Marphy, Bursten, &Woodward, 2014).

NaHCO3 (aq )+HNO3 (aq )→NaNO3 (aq )+CO2 (g )+H2O(aq)

De acuerdo a lo establecido con la ley de la conservación de masa, la masa no se crea ni se destruye, solo se transforma (Mcmurry & Fay, 2009), entonces si se trabajó con 24 gramos total de reactivos, se debe de obtener 24 gramos total de productos. Por el contrario, en el experimento se inició pesando el sistema (matraz con globo) antes de la reacción de los compuestos, cuyo valor fue de 146,71 gramos; posterior a la reacción el resultado varió y se redujo a 146,49 gramos. Se atribuye esta disminución de la masa al gas que no se formó en la reacción. Es decir que no reaccionó por completo uno de los compuestos. Considerando los valores obtenidos mediante estequiometria, el bicarbonato de sodio es el reactivo limitante, el cual determinó que se forme 0.523 gramos de dióxido de sodio. No obstante este valor es totalmente teórico pues la diferencia de las masas dadas por la balanza analítica (146,71 g-146,49 g) dio 0.22 gramos de posible gas producido. Por lo que se podría decir que no reaccionó en su totalidad el bicarbonato de sodio. También se puede señalar a que se encontraba en exceso el ácido nítrico, por lo que reaccionó parcialmente.Vale destacar que la ley de conservación de masa hace referencia a un trasformación, la cual se cumple cuando se obtiene, con el ácido nítrico (HNO3), nitrato de sodio, dióxido de carbono y agua. Pero también se debe considerar la parte del compuesto o los compuestos que no reaccionaron en la suma de los productos para que no exista la incertidumbre de perdida de masa. ACTIVIDAD 2En la ecuación 1.1 se muestra la ecuación neta para la formación del hidróxido de cobre, la cual es una ecuación reversible de doble desplazamiento. La ecuación neta se obtuvo mediante las reglas de predicción de las reacciones de precipitación, la cuales dicen que las sales de cationes del grupo I son solubles, por lo que el sulfato de sodio permanece en la disolución en manera acuosa; y que los hidróxidos son insolubles, por lo que se forma un precipitado, de hidróxido de cobre II, de color azul claro (Brown,LeMay, Bursten, & Murphy, Reacciones de precipitación, 2009, págs. 125-126).

CuSO4 (aq )+2NaOH (aq )=Cu¿ (1.1)Cu+2 (aq )+SO4

−2 (aq )+2N a+1 (aq )+2O H−1 (aq )=Cu¿Cu+2 (aq )+2O H−1 (aq )=Cu¿

Las sustancias insolubles tienen menos de 0,01 mol/L de solubilidad. Esto se debe a que la atracción entre iones de cargas opuestas, en el sólido, es demasiado grande para que las moléculas de agua, u otro disolvente, separen de manera significativa a los iones (Brown, LeMay, Bursten, & Murphy, Reacciones de precipitación, 2009, págs.125-126).

La precipitación que se formó fue un sólido gelatinoso de color azul que era visible en la disolución celeste (ver FIGURA 2 en apéndice). Éste solido gelatinoso era el Cu(OH)2. Al seguir agitando el tubo de ensayo, el sólido gelatinoso de disolvió. Esto ocurrió porque el cobre atrae más moléculas de OH- debido a que sus electrones ocupan los orbitales d del cobre, por lo que se forma un ión complejo llamado Ión tetrahidroxocuprato II (ecuación 1.5), cuya fórmula es [Cu(OH)4]-2 (Brown, LeMay,Bursten, & Murphy, Química de metales de transición selectos, 2009). Dicho ión, el cual es un anión de carga -2, al estar cargado, se hace soluble en agua y por eso el sólido gelatinoso se disuelve.

El precipitado formado es un precipitado coloidal que retiene grandes cantidades de agua, es decir un coloide hidrofílico (Facultad de ciencias). Se lo considera un precipitado coloidal porque no se podía reconocer si era parte de una disolución o, formar parte de una mezcla heterogénea. Y es un coloide hidrofílico debido a que interactúa con el agua (Brown, LeMay, Bursten, & Murphy, Coloides, 2009, págs. 556-562).

El sólido gelatinoso era de color azul, el cual está entre las longitudes de onda de 430nm y 490nm. El que sea de este color significa que absorbe la luz de su color complementario, en este caso el naranja, el cual está entre las longitudes de onda de 600nm a 650nm (McMurry & Fay, 2009, págs. 844-846).

Sin embargo, en la práctica de laboratorio no se utilizó CuSO4 anhidro, en su lugar fue utilizada una disolución de dicho compuesto (Brown, LeMay, Bursten, & Murphy, Colory magnetismo, 2009). En disolución acuosa, el catión Cu+2 se encuentra como el complejo tetraacuocuprato (II) de color azul pálido (Garric, 1979), por lo que la disolución de CuSO4 en agua es:

CuSO4+4H 2O=¿ (1.2)

Teniendo en cuenta eso, la reacción de precipitación es la ecuación 1.3:

¿ (1.3)

El agua dentro del acuacomplejo tetraacuodihidroxocuprato (II) es desplazada por el OH-, quedando hidróxido de cobre (ecuación 1.4) el cual (Basolo, Busch, & Johnson,1980), al seguir añadiendo NaOH forma, como se había explicado antes, el ión tetrahidroxocuprato II (ecuación 1.5):

¿ (1.4)

¿ (1.5)

En pocas palabras, el precipitado formado de Cu(OH)2 pasa por 2 estados: un sólido gelatinoso y uno disuelto. En la disolución de sulfato de cobre se encuentra en complejo tetraacuocuprato (II) y sulfato, los cuales al reaccionar con el hidróxido de sodio forman el acuacomplejo tetraacuodihidroxocuoprato, dentro el cual el agua es desplazada por el hidróxido y, al añadir más cantidad de la disolución de NaOH se forma el ión tetrahidroxocuprato II.

Para este experimento existió una pequeña variación entre la masa pesada antes de la reacción y la masa pesada después de la reacción (ver TABLA 2 en apéndice). Probablemente esta variación sucedió por error humano, debido a que se agarraba los tubos de ensayo con las manos, no con el equipo correcto. Por ende, la ley de la conservación de la masa se comprobó.

CONCLUSIONSe comprobó la Ley de conservación de masa en las dos reacciones realizadas, sin embargo existió una disminución de masa en ambas. En el caso de la reacción de bicarbonato de sodio con ácido nítrico al valorizar la masa luego de su reacción, esta disminuyó debido que el compuesto HNO3 reaccionó parcialmente. Así mismo en la segunda reacción de sulfato de cobre e hidróxido de sodio, la cantidad de masa vario, pero fue a causa del error humano.

BIBLIOGRAFÍA

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Bertomeu, J. &. (2006). La Revolución Química entre la historia y la memoria. Valencia: Maite Simon.

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Brown, T., LeMay, E., Bursten, B., & Murphy, C. (2009). Color y magnetismo. En T. Brown, E. LeMay, B. Bursten, & C. Murphy, Química: La ciencia central (Vol. Décimoprimera, pág. 1031). México: Pearson Educación.

Brown, T., LeMay, E., Bursten, B., & Murphy, C. (2009). Química de metales de transición selectos. En T. Brown, E. LeMay, B. Bursten, & C. Murphy, Química: La ciencia central (págs. 1002-1006). México: Pearson Educación.

Brown, T., LeMay, E., Bursten, B., & Murphy, C. (2009). Reacciones de precipitación. En T. Brown, E. LeMay, B. Bursten, & C. Murphy, Química: La ciencia central (págs. 125-126). México: Pearson Educación.

Contreras, S. (2004). Reacciones Químicas. Mérida: Smart Service C.A.

Facultad de ciencias. (s.f.). Prácticas de química inorgánica. Universidad autónoma de Madrid, Departamento de Química Inorgánica, Madrid.

Garric, M. P. (1979). El edificio químico. Edificios metálicos, iónicos y covalentes. En M. P. Garric, Química general (pág. 179). Barcelona: Reverté.

McMurry, J., & Fay, R. (2009). Color de los complejos de los mateles de transición. En J. McMurry, & R. Fay, Química General (Vol. Quinto, págs. 844-846). México: PEARSON EDUCACIÓN .

Petrucci, R. G. (2011). Química General (10 ed.). Madrid: Pearson Education.

APÉNDICE

ACTIVIDAD 1

TABLA 1.- Masa perdida después de la reacción química con desprendimiento de gas.

Material Contenido Globo (g) m1 (g) m2 (g) ¿Se demuestra la L.C.M.? Reacción Química

Matraz Erlenmeye

r

20 mL de NHO3 a

3,7 %

1,0 g de NaH CO3

196,71 ±

0,001

146,49 ±

0,001

Sí, a pesar de que se

desprenderse gas el sistema.

NaHCO3(s)+NHO3(ac )→NaNO3(ac)+CO2(g)+H3O(l)

Calculo Estequiométrico

Reactivo limitante

1g NaHC

O3∗1molCO284,005g NaHCO3

∗44,009gC O2

1molCO2=0,523 gCO2

23,6 g NH

O3∗1molCO263,012g NH O3

∗44,009gC O2

1molCO2=16,48 gCO2

FIGURA 1.- Representación grafica de la reacción química entre bicarbonato de sodio

[NaHCO3 (s ) ] y ácido nítrico [NHO3 (ac ) ].

Respuesta: el reactivo limitante es NaHCO3 YValor teórico de CO2 a producido en la reacción: 0,523 gramos

Calculo real del CO2

∆ m=masainicial−masa final=147,71 g−146,49 g=0,22gCO2

Valor real de CO2 que se produjo: 0,22 gramos

0,22

g∗1molCO244,009gC O2

∗1mol NaHCO3

1molC O2∗84,005g NaHCO3

1mol NaHCO3=0,42 NaHCO3

Respuesta: Lo que realmente reacciono de NaHCO3: 0,42NaHCO3

ACTIVIDAD 2

TABLA 2. Datos obtenidos de la reacción química con formación de precipitado.

Reacción m1 (g) m2 (g)¿Se

demuestra la L.C.M.?

Observaciones

CuSO4 (ac )+2NaOH ( ac )

→Cu¿9,84 ± 0,001 9,80 ± 0,001

A pesar de la pequeña variación de los pesos si

se demuestra

la L.CM.

Cuando se agrego NaOH en la disolución de CuSO4 la reacción comenzó y la disolución se volvió turbia

Aproximadamente después de 25 segundos se formó una mancha de color azul oscuro.

Luego de 5 minutos se formó el precitado.

El mal uso de la balanza nos dio una pequeña diferencia entre el peso inicial y el final.

TABLA 3. Estequiometria de las reacciones químicas Reacción CuSO4 (ac)

+¿2NaOH(ac)

→Cu ¿

+¿N a2SO 4(ac)

Masa molecula 159,60 39,99 97,55 142,04

r (g/mol)Relación en mol 1 2 1 1

Relación en masa 159,60 79,99 97,55 142,04

L.C.M. (g) 239,59 239,55

FIGURA 2.- Representación gráfica de la reacción química entre el sulfato cúprico (CuSO4 ) y el hidróxido de sodio (NaOH ).