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Ley de la conservación de la materia: agua en ebullición

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Respuesta rápida

El agua evaporada no desaparece: se transforma en vapor (estado gaseoso). Sus moléculas de H₂O siguen presentes en el aire; la materia solo cambia de estado, nunca se destruye.

quimica ⭐ Dificultad 1/5 ⏱ 2 min lectura

Solución — Página 135

Quimica 2° · 2024

Ejercicio 1

Tema 1: Ley de la conservación de la materia

La página de apertura presenta el nuevo tema y plantea una pregunta de Saberes previos que introduce el concepto de conservación de la materia.

Pregunta de saberes previos

Pregunta: Al observar agua en ebullición, ¿crees que el agua evaporada desaparece? ¿Por qué?

Respuesta orientativa: No, el agua evaporada no desaparece: cambia de estado, de líquida a vapor de agua (estado gaseoso), pero sus partículas (moléculas de $ext{H}_2\text{O}$ ) siguen presentes en el aire, solo que están dispersas, más lejos entre sí y en movimiento mucho más rápido. En un recipiente cerrado, el vapor puede volver a condensarse en líquido al enfriarse, y su masa total seguirá siendo exactamente la misma que antes de calentar. Si el recipiente está abierto, el vapor se difunde por la habitación, por eso "no se ve" el agua que faltó en el recipiente, pero la materia sigue existiendo: solo se ha convertido en un gas invisible. Esto ilustra el principio de conservación: en una reacción o un cambio de estado, ni la materia ni la energía se crean ni se destruyen, solo se transforman.

Fundamento de la Ley de la conservación de la materia

Antecedentes: Antoine Lavoisier (1789) estableció que en una reacción química la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos. Fue el primero en pesar con precisión los reactivos y productos de una reacción, demostrando que nada se pierde.
Formulación moderna: La ley se entiende mejor a nivel atómico: en una reacción química los átomos no se crean ni se destruyen, solo se reorganizan para formar nuevas sustancias. Por lo tanto, el número de átomos de cada elemento es el mismo antes y después de la reacción.

Ejercicio 3

Ecuación general:

$\sum \text{masa de reactivos} = \sum \text{masa de productos}$

Ejemplo numérico (balanza de Lavoisier): si se calientan $10 \, \text{g}$ de mercurio en un matraz cerrado y se observa que se forma $10,8 \, \text{g}$ de óxido de mercurio, se deduce que $0,8 \, \text{g}$ de oxígeno del aire reaccionó. Entonces:

$10,0 \, \text{g} + 0,8 \, \text{g} = 10,8 \, \text{g}$

La masa no cambió: solo se sumó oxígeno que formaba parte de los reactivos.

Ejemplo con el agua del tema: si hierve un recipiente cerrado con $100 \, \text{g}$ de agua y se pesa el recipiente después de que se condense todo el vapor, la masa será otra vez $100 \, \text{g}$ , porque ni una molécula de $ext{H}_2\text{O}$ se ha perdido ni se ha formado.
Excepciones históricas: En las reacciones nucleares (fisión y fusión) la masa se convierte en energía según la ecuación de Einstein $E = mc^2$ ; estas reacciones están fuera del alcance de la química clásica, por lo que la ley de conservación de la masa se cumple en todos los procesos químicos.

Respuesta final al desafío de la página: el agua evaporada no desaparece; se transforma en vapor de agua, que sigue existiendo en el aire. La materia solo cambia de forma o de estado, nunca se destruye.

Contenido de la página

Tema 1: Ley de la conservación de la materia

Saberes previos

Al observar agua en ebullición, ¿crees que el agua evaporada desaparece? ¿Por qué?

(Icono de idea/insight: ilustración de laboratorio con matraz destilador calentado con mechero, tubos de ensayo con líquidos de colores y estructuras moleculares. Ilustraciones de stock: https://lh9.cn/wvvpbj y https://lh9.c/fqtnrk)

El agua que se evapora al hervir no desaparece: cambia de estado de líquido a vapor de agua, pero sus moléculas de $\text{H}_2\text{O}$ siguen presentes en el aire. En un recipiente cerrado se pueden recuperar por condensación sin que varíe su masa. Este fenómeno muestra el principio que enuncia la Ley de la conservación de la materia: en todo cambio físico o químico la materia solo se transforma, no se crea ni se destruye.

En una reacción química, la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos:

$\sum m_{\text{reactivos}} = \sum m_{\text{productos}}$

Ejemplos resueltos

En un recipiente cerrado hay $100 \, \text{g}$ de agua a temperatura ambiente. Se hierve toda el agua y el recipiente se deja enfriar hasta que todo el vapor vuelve a condensarse. ¿Cuál es la masa final del contenido?

La masa inicial del agua es $m_i = 100 \, \text{g}$ .
Al hervir, el agua pasa de líquido a vapor: es un cambio de estado, no una reacción química.
El recipiente está cerrado, por lo que ninguna molécula de $\text{H}_2\text{O}$ sale al ambiente.
Al condensar, las moléculas de vapor regresan al estado líquido.
Por la ley de conservación: $m_f = m_i = 100 \, \text{g}$ . Respuesta: $100 \, \text{g}$ .

Tabla

Estado	Forma de la materia	Distancia entre moléculas	Masa total
Líquida	Agua en el recipiente	Cercanas, se deslizan entre sí	$100 \, \text{g}$
Gaseosa	Vapor de agua	Muy separadas, movimiento rápido	$100 \, \text{g}$
Líquida (condensada)	Agua recuperada	Cercanas otra vez	$100 \, \text{g}$

Diagrama

flowchart LR
    A[Agua líquida<br/>masa m] -->|calentamiento<br/>ebullición| B[Vapor de agua<br/>masa m]
    B -->|enfriamiento<br/>condensación| C[Agua líquida<br/>masa m]
    C -.->|ciclo repetible| A
    B -->|recipiente abierto| D[Vapor disperso en el aire<br/>masa m conservada]

Fórmulas y ecuaciones

Masa de reactivos = Masa de productos

$\sum$ $m_{@@MATH_0@@\text{productos}$ }

$\text{H}$ _2 $\text{O}$ (l) $\rightarrow$ $\text{H}$ _2 $\text{O}$ (g)

$10,0\$ , $\text{g}$ + $0,8\$ , $\text{g}$ = $10,8\$ , $\text{g}$

E = $mc^{2}$

Glosario (5)

Ley de la conservación de la materia: Principio que establece que la materia no se crea ni se destruye: en una reacción o cambio de estado, la masa total antes y después es la misma.
Evaporación: Cambio de estado de líquido a vapor que ocurre a cualquier temperatura, principalmente en la superficie del líquido.
Ebullición: Cambio de estado de líquido a vapor que se produce en todo el volumen del líquido cuando se alcanza la temperatura de ebullición.
Condensación: Proceso inverso a la evaporación: el vapor pasa de estado gaseoso a líquido.
Vapor de agua: Agua en estado gaseoso; sus moléculas están dispersas y muy alejadas entre sí.

Preguntas para practicar

Al observar agua en ebullición, ¿crees que el agua evaporada desaparece? ¿Por qué?

No, el agua evaporada no desaparece: cambia de estado de líquido a vapor de agua, pero sus moléculas de H₂O siguen presentes en el aire, dispersas y en rápido movimiento. Si el recipiente está cerrado, el vapor puede condensarse y recuperar su masa inicial. Esto demuestra la Ley de la conservación de la materia: la materia solo se transforma, nunca se destruye.

¿Por qué se dice que Lavoisier 'fundó la química moderna' al estudiar la conservación de la masa?

Lavoisier transformó la química de una ciencia cualitativa y especulativa en una ciencia cuantitativa: usó balanzas de precisión para demostrar que la masa de los reactivos es igual a la masa de los productos, refutando la teoría del flojisto y sentando las bases de la nomenclatura y la conservación de los elementos.

Temas y conceptos clave

Ley de la conservación de la materiaEvaporación y ebullición del aguaSaberes previos: transformación de la materiaconservación de la masaevaporaciónestado gaseosomoléculas de aguaLavoisiertransformación sin pérdida