Conservación de la masa

Al quemar 16.04 g de metano en 64.00 g de oxígeno se obtienen 44.01 g de dióxido de carbono y 36.03 g de agua: 80.04 g antes y después.

Un leño pesa unos cuantos kilogramos y, después de arder, sus cenizas pesan mucho menos. Un clavo que se deja a la intemperie se vuelve más pesado al oxidarse. Durante siglos, estos hechos hicieron pensar que la materia podía desaparecer en unas reacciones y aparecer en otras. En ambos casos, el error era el mismo: la balanza no pesaba los gases. El humo y el dióxido de carbono salen del fuego, y el oxígeno del aire se incorpora al hierro.

Lavoisier y el recipiente sellado

Hoy esta regla se llama ley de conservación de la masa, o de la materia: cuando un tipo de materia se transforma en otro, no hay ningún cambio detectable en la cantidad total de materia. Una ecuación balanceada expresa esa misma ley en átomos. Los átomos no se crean ni se destruyen en una reacción química; por tanto, si los átomos coinciden, las masas también deben coincidir.

De los átomos a los gramos

Para convertir una ecuación en masas, los químicos cuentan en moles. Un mol contiene 6.02214076 × 10²³ partículas, un número fijado de manera exacta en el Sistema Internacional de Unidades. La masa de un mol de una sustancia, su masa molar, es la suma de los masas atómicas de su fórmula, expresada en gramos. Con los masas atómicas de la IUPAC de 1.008 para el hidrógeno, 12.011 para el carbono y 15.999 para el oxígeno, el metano CH₄ tiene 12.011 + 4 × 1.008 = 16.043 g por mol, O₂ tiene 31.998 g, CO₂ tiene 44.009 g y H₂O tiene 18.015 g.

Ahora lee CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O en moles. Un mol de metano, 16.043 g, reacciona con dos moles de oxígeno, 63.996 g, para un total de 80.039 g. Los productos son un mol de CO₂, 44.009 g, y dos moles de agua, 36.030 g, que también suman 80.039 g. Mueve el control de cantidad del laboratorio y ambas columnas crecerán juntas; los totales nunca se separan.

Por qué los recipientes abiertos parecen contradecir la ley

Elige carbonato de calcio en el laboratorio. Al calentarlo intensamente, 100.09 g se convierten en 56.08 g de óxido de calcio y 44.01 g de dióxido de carbono gaseoso. En un recipiente sellado, la balanza marca 100.09 g al final. Con la tapa abierta, el gas se escapa y la balanza solo indica 56.08 g. El bicarbonato y el vinagre se comportan igual: pierden la masa de las burbujas de dióxido de carbono. Con el estaño ocurre lo contrario: en un recipiente abierto incorpora oxígeno del aire, por lo que el sólido gana masa, justo lo que midió Lavoisier. En todos los casos, la masa que falta o sobra es un gas y todos los átomos están contabilizados.