Leyes de la Combinación Química
Ley de Conservación de Materia
Hasta finales del siglo XVIII la descripción de los fenómenos químicos se realizaba principalmente en forma cualitativa. Antoine-Laurent de Lavoisier fue el primer químico que utilizó la balanza para el estudio de las transformaciones químicas. Sus estudios le dieron un rigor cuantitativo a la química, impulsándola como una ciencia experimental. Hoy se le considera el padre de la química moderna. ¿Por qué crees que son importantes las mediciones en ciencia, especialmente en química?
Los estudios e ideas de Lavoisier dieron lugar al planteamiento de una ley que recoge uno de los principios fundamentales sobre los que se ha basado la química clásica. "La materia que entra a formar parte de una reacción química nunca se destruye, únicamente se transforma".
Ley de la conservación de la masa.
Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794) fue quien introdujo el empleo de la balanza en el estudio de la química.
Lavoisier realizó muchos estudios sobre reacciones de combustible y calentamiento de metales. Determinaba cuidadosamente la masa de los gases producidos, la de los combustibles y metales antes de calentar, así como la de los productos. Comprobó también, que la masa de ceniza obtenida era igual a la masa del mercurio del oxígeno combinado. Al calentar a temperatura superior el óxido obtenido, obtuvo de nuevo el oxígeno libre, cuyo volumen correspondía al perdido aparentemente por el aire en la primera reacción.
Lavoisier generalizó sus resultados a todas las reacciones químicas y enunció en 1785 la llamada ley de la conservación de la masa, que puede formularse de dos maneras:
1) En toda reacción química, la masa total de las sustancias reaccionantes es igual a la masa de los productos.
2) La materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma.
Conservación de los Recursos Naturales
Según la ley de la conservación de la masa, el universo no produce materia sino que tiene una cantidad constante que no puede destruirse sino cambiar a otra forma.
El ciclo de los elementos: los elementos químicos forman nuevas sustancias que pueden circular por diferentes lugares de la tierra, incluyendo los seres vivos y retornar a su origen, como el carbono, el nitrógeno y el oxígeno, forman ciclos biogeoquímicos importantes.
El reciclaje de materiales: algunos materiales pueden reutilizarse después de un proceso de recuperación y así puede evitarse el agotamiento de algunos recursos naturales y la contaminación ambiental, como el papel, el cartón, vidrio, etc.
La contaminación ambiental: la introducción de sustancias extrañas al ambiente trae problemas como la destrucción de la capa de ozono, la extinción de especies, etc.
Demostración de la Ley
La ley de la conservación de la masa se cumple en toda reacción química y se puede evidenciar en una de las reacciones que realizó Lavoisier en un sistema cerrado para controlar el experimento:
En esta reacción podemos ver que 401 g de mercurio reaccionar en forma completa con 32 g de oxígeno, es decir, reacciona un total de 433 g de sustancias y se producen exactamente 433 g de óxido de mercurio. También se observó que la reacción inversa descomposición del óxido de mercurio daba los mismos resultados. Esto se expresa así:
Aplicaciones de la Ley
Se pueden hacer aplicaciones de esta ley por cálculos sencillos basados en la medición de masas, y obviar las pequeñas diferencias que se observan en la práctica por error experimental. Algunos ejemplos son:
Problema A: El profesor informó a un alumno que 7 g de hierro reaccionan con 4 g de azufre exactamente y le preguntó: ¿Qué cantidad de producto se debe formar?
Razonamiento: según la ley de la conservación de la masa no se pierde materia, por lo que el resultado es la suma de las masas reactantes.
Resolución:
Respuesta: Se forman 11 g de sulfuro de hierro.
Problema B: Una cinta de magnesio de 0,91 g se quemó en un recipiente cerrado que contenía 3,6 g de oxígeno. Después de la reacción se encontró que quedaron 3 g de oxígeno sin reaccionar. ¿Qué masa de oxígeno no reaccionó? ¿Cuánto óxido de magnesio se formó?
Razonamiento: La masa de que reaccionó se obtiene por diferencia entre la masa inicial y final, ya que ambas son conocidas. Luego al conocer la masa de oxígeno que reaccionó, está se suma con la del magnesio para obtener la masa de óxido de magnesio formado.
Resolución: Masa de oxígeno que reaccionó = 3,6 g - 3,0 g = 0,6 g
Masa de MgO formado = 0,91 g de Magnesio + 0,6 g de oxígeno = 1,51 g
Respuesta: Se formaron 1,51 g de óxido de magnesio.
Ley de las Proporciones Definidas
A finales del siglo XVIII, el químico francés Joseph Louis Proust (1754 -1826) realizó un gran número de análisis para demostrar la constancia de la composición de las sustancias químicas.
Basado en sus observaciones, Proust enunció la llamada ley de las proporciones definidas en el año 1801, estableciendo lo siguiente:
Cuando dos o más elementos se combinan para formar un compuesto, lo hacen en una relación fija de masa invariable.
Ejemplo:
Océanos, lluvia, pozo subterráneo, lagos, ríos, sintetizada en el laboratorio; no importa cuál sea la fuente de agua, su composición siempre es la misma: agua pura, H₂O.
Demostración de la Ley
Los siguientes datos experimentales obtenidos para tres casos analizados en la formación de sulfuro de hierro ejemplifican esta ley:
Si se divide la masa del hierro entre la masa del azufre (la masa mayor entre la masa menor) se obtiene una relación constante de 1,75 para cada caso, como se demuestra a continuación:
Esta relación expresa que el hierro y el azufre se combinan en proporción de 1,75:1 es decir, 1,75 g de hierro se combinan exactamente con 1 g de azufre o una cantidad proporcional. En números enteros, esta relación se expresa como 7:4, que representa la relación en números enteros mínimos posibles, obtenidas al multiplicar 1,75:1 por 4.
Otra forma de expresar esta ley es a través de su corolario, conocido como la ley de la composición constante, que dice: "Todo compuesto químico en estado de pureza contiene siempre los mismos elementos, en una proporción constante de masa". Por ejemplo, 18 g de agua (H₂0) contienen siempre 16 g de oxígeno y 2 g de hidrógeno. Para calcular la proporción de elementos en un compuesto en términos de porcentaje se aplica la siguiente relación:
La proporción de los elementos del agua es la siguiente:
Aplicaciones de la Ley
Problema A: El magnesio y el oxígeno se combinan en la proporción 1,5:1 para formar óxido de magnesio. Si se hacen reaccionar 8,5 g de magnesio con el oxígeno del aire, ¿Cuánto óxido se formará?
Razonamiento: Debido a que hay suficiente oxígeno en el aire, todo el magnesio reaccionará. Para conocer la cantidad de óxido de magnesio formado se debe calcular primero la cantidad de oxigeno que reaccionó, aplicando la ley de la conservación de la masa y usando la relación como factor de conversión.
Resolución:
Cantidad de oxígeno que reacciona:
Observa que la proporción 1,5:1 se usa como el factor de conversión porque establece la relación entre la cantidad de magnesio y oxigeno que reacciona en forma constante.
Cantidad de óxido que se forma: 8,5 g Mg + 5,7 g O2 = 14,2 g
Respuesta: 8,5 g de magnesio que reaccionan con 5,7 g de oxígeno para formar 14,2 g de óxido de magnesio.
Problema B: ¿Cuál es la composición porcentual del óxido de magnesio si conoces que el magnesio se une al oxígeno en una relación fija de 1,5:1?
Razonamiento: El óxido de magnesio contiene 1,5 g de magnesio y 1 g de oxígeno, que forma 2,5 g de óxido. A partir de estos valores se puede calcular el porcentaje.
Resolucion:
Respuestas: El óxido de magnesio tiene 60% de magnesio y 40% de oxígeno.
Problema C: Si el hierro y el azufre se unen en proporción de 1,75:1 y se hacen reaccionar 3 g de hierro con 3 g de azufre, ¿Qué elemento sobrará, en que cantidad y cuánto producto se formará?
Razonamiento: Como hay en la misma cantidad hierro y azufre y la proporción de combinacion de estos elementos no es 1:1, el elemento que reacciona en menor proporción es el que sobrara, en este caso el azufre.
Resolución:
Cantidad de azufre que reacciona:
Cantidad de producto formado, FeS: 3 g Fe + 1,71 g S = 4,71 g sulfuro de hierro, FeS
Cantidad de azufre que sobra: 3 g - 1.71 g = 1,29 g
Respuesta: Reaccionaron 3 g de hierro con 1,71 g de azufre para formar 4,71 g de sulfuro de hierro, y sobraron 1,29 g de azufre.