Cuando la materia se transforma: cambio químico y primeras leyes
Objetivo. Distinguir cambios físicos de químicos y aplicar la ley de proporciones definidas y la conservación de la materia, justificando el razonamiento en cada ejercicio, valorando la rigurosidad cuantitativa.
para partir
En 1789 Antoine Lavoisier publicó su Tratado elemental de química y dejó escrita una idea que hasta entonces nadie había puesto sobre una balanza: en una reacción la masa total se conserva. Cortas un papel en mil pedazos y sigue siendo papel, lo quemas y ya no vuelve, y aun así la cuenta cuadra en los dos casos. Distinguir esa diferencia, y medir con qué reglas la materia se transforma, es donde empieza toda la química de este electivo.
Bienvenidos a la primera clase del electivo de Química. Esta unidad completa, reacciones y estequiometría, se sostiene sobre tres ideas que hoy vamos a instalar: qué es realmente un cambio químico, cómo la materia respeta proporciones fijas al combinarse (Proust) y por qué la masa se conserva (Lavoisier). Todo lo demás del electivo se construye sobre esto.
Antes de empezar, decide para ti si cada afirmación es verdadera o falsa. No las corregiremos aún; volveremos a ellas al final:
- Disolver azúcar en agua es un cambio químico, porque el azúcar “desaparece”.
- En una reacción química dentro de un frasco cerrado, la masa total se mantiene igual.
- La ley de Proust dice que todos los compuestos puros tienen la misma masa.
Cambio físico y cambio químico
Todo cambio en la materia altera algo, pero la pregunta clave es: ¿cambió la sustancia o solo su forma, estado o tamaño?
- Cambio físico: cambia la apariencia, el estado o el tamaño, pero la sustancia sigue siendo la misma. Hielo que se derrite, agua que hierve, un alambre que se dobla, sal o azúcar que se disuelven. Al disolver azúcar, sus moléculas siguen siendo azúcar: solo se dispersaron entre las de agua (y si evaporas el agua, recuperas el azúcar).
- Cambio químico (reacción): los átomos se reorganizan y aparecen sustancias nuevas, con propiedades distintas. Hierro que se oxida, madera que arde, leche que se corta, una pila que funciona.
¿Cómo sé que hubo un cambio químico? Buscamos evidencias de reacción:
- cambio de color permanente (no por mezcla de pigmentos),
- desprendimiento de un gas (burbujas donde no había ebullición),
- formación de un precipitado (un sólido que aparece al mezclar dos líquidos),
- cambio de temperatura por sí solo (se calienta o se enfría),
- emisión de luz, o un cambio difícil de revertir.
La idea equivocada frecuente: “disolver azúcar es un cambio químico porque el azúcar desaparece”. Falso. El azúcar no desaparece: sus moléculas se reparten entre el agua y siguen intactas. No hay sustancia nueva, y el proceso se revierte evaporando el agua. Es un cambio físico. Un cambio químico habría producido algo con propiedades distintas que ya no podrías separar así.
Ley de proporciones definidas (Proust)
Cuando dos elementos se combinan para formar un compuesto puro, no lo hacen en cualquier cantidad: lo hacen en una proporción de masas fija. Esto lo estableció Joseph Proust.
Ley de proporciones definidas (Proust): un compuesto puro siempre contiene los mismos elementos combinados en la misma razón de masas, sin importar de dónde provenga la muestra ni cuánta cantidad tengamos.
El agua pura, venga de un río, del mar destilado o de un laboratorio, tiene siempre 1 g de hidrógeno por cada 8 g de oxígeno (razón de masas H : O = 1 : 8). Si analizas 9 g de agua, encontrarás 1 g de H y 8 g de O; si analizas 36 g, encontrarás 4 g de H y 32 g de O. La cantidad cambia, pero la razón, no.
La razón de masas se calcula dividiendo la masa de un elemento por la del otro:
razón = masa de un elemento ÷ masa del otro elemento
Si esa razón sale igual en dos muestras, estás ante el mismo compuesto cumpliendo la ley de Proust.
Un error habitual es leer a Proust como si dijera que “todos los compuestos pesan lo mismo” o que “una muestra siempre pesa igual”. No es eso. Una muestra de agua puede pesar 9 g, 18 g o 1 kg: la masa total cambia libremente. Lo que no cambia es la proporción interna entre sus elementos (1 g de H por cada 8 g de O). Dos compuestos distintos (agua y peróxido de hidrógeno, por ejemplo) tienen razones distintas; por eso son sustancias diferentes.
Conservación de la materia (Lavoisier)
Antoine Lavoisier, pesando cuidadosamente antes y después de muchas reacciones, llegó a una conclusión que hoy es un pilar de la química:
Ley de conservación de la materia (Lavoisier): en un sistema cerrado, la masa total de los reactantes es igual a la masa total de los productos. “Nada se crea, nada se destruye; todo se transforma”.
La razón profunda es que en una reacción los átomos no se crean ni se destruyen: solo se reordenan en combinaciones nuevas. Si contamos los mismos átomos antes y después, la masa tiene que ser la misma.
Por ejemplo, al formar dióxido de carbono en un recipiente cerrado:
Los 12 g de carbono y los 32 g de oxígeno no “desaparecen”: están todos dentro de los 44 g de CO₂.
La idea equivocada frecuente: “en una reacción la masa puede desaparecer o crearse”. Falso. En un sistema cerrado la masa siempre se conserva. Si al pesar parece que se perdió masa, casi siempre es porque escapó un gas que no estamos midiendo (o entró oxígeno del aire), es decir, el sistema no estaba realmente cerrado. Esos casos los analizaremos en detalle al llevar la ley a sistemas abiertos.
Una vela encendida parece “perder” masa hasta casi desaparecer: ¿se destruyó materia? No. La cera se combina con el oxígeno del aire y se transforma en gases (dióxido de carbono y vapor de agua) que se van al ambiente. Si pudiéramos atrapar y pesar todo (cera consumida, oxígeno usado y gases liberados), la masa cuadraría exactamente. Cómo hacer ese balance completo, en sistemas abiertos, es lo que viene después.
Sondeo — Cuando se disuelve azúcar en agua se produce un cambio químico, porque el azúcar deja de verse y por tanto se transformó en una sustancia nueva.
EJEMPLO RESUELTO (síguelo paso a paso). Se analizan dos muestras de óxido de cobre(II) puro obtenidas de fuentes distintas. La muestra 1 contiene 8 g de cobre y 2 g de oxígeno. La muestra 2 contiene 20 g de cobre y 5 g de oxígeno. Demuestra que ambas cumplen la ley de proporciones definidas calculando la razón de masas cobre : oxígeno.
- 1) Recuerda qué compara la ley de Proust: la RAZÓN de masas entre los elementos del mismo compuesto, no la masa total (que sí puede cambiar de una muestra a otra).
- 2) Razón en la muestra 1: dividimos cobre entre oxígeno → 8 g ÷ 2 g = 4. Es decir, Cu : O = 4 : 1.
- 3) Razón en la muestra 2: 20 g ÷ 5 g = 4. Es decir, Cu : O = 4 : 1.
- 4) Compara: ambas dan exactamente 4 (razón 4 : 1), aunque una muestra pesa 10 g y la otra 25 g.
- 5) Interpreta: como la razón de masas es la misma, ambas son el mismo compuesto puro y cumplen la ley de proporciones definidas.
Resultado: En ambas muestras la razón Cu : O = 4 : 1. La masa total cambia (10 g y 25 g), pero la proporción interna es constante: cumplen la ley de proporciones definidas.
AHORA CON AYUDA (completa el razonamiento). El magnesio arde en oxígeno formando óxido de magnesio puro. En un experimento, 3 g de magnesio se combinan exactamente con 2 g de oxígeno. Si en otro experimento se hacen reaccionar 9 g de magnesio, ¿qué masa de oxígeno se combinará con ellos, según la ley de Proust? El primer paso ya está hecho: la razón Mg : O del compuesto es 3 : 2.
- 1) Razón de masas del óxido de magnesio: Mg : O = 3 : 2 (dato del primer experimento).
- 2) Como la razón debe mantenerse, planteamos que 9 g de Mg guardan con el oxígeno la misma proporción 3 : 2.
- 3) Observa que 9 g de Mg es el triple de 3 g. Para conservar la razón, el oxígeno también debe triplicarse.
- 4) Oxígeno necesario: 2 g × 3 = 6 g.
- 5) Verifica: 9 g ÷ 6 g = 1,5, igual que 3 g ÷ 2 g = 1,5. La razón 3 : 2 se mantiene.
Resultado: Se combinarán 6 g de oxígeno (razón 9 : 6 = 3 : 2, la misma del compuesto). La ley de Proust fija la proporción, no la cantidad.
RESUÉLVELO SOLO. En un recipiente CERRADO se hacen reaccionar 12 g de carbono con 32 g de oxígeno, y todo se transforma en dióxido de carbono (no queda carbono ni oxígeno sin reaccionar). ¿Qué masa de dióxido de carbono se obtiene? Justifica con la ley que estás usando.
- 1) Identifica la ley pertinente: el recipiente está cerrado, así que aplica la conservación de la materia (Lavoisier).
- 2) Suma la masa de todos los reactantes: 12 g de carbono + 32 g de oxígeno = 44 g.
- 3) Por conservación, la masa de los productos debe ser igual a la de los reactantes.
- 4) Como el único producto es dióxido de carbono, toda esa masa está en él: 44 g de CO₂.
- 5) Interpreta: no se creó ni se destruyó masa; los átomos de C y O solo se reordenaron en moléculas de CO₂.
Resultado: Se obtienen 44 g de dióxido de carbono. Por la ley de conservación de la materia, masa de productos = masa de reactantes = 12 g + 32 g = 44 g.
Completa el resumen de la clase:
Cuando la materia cambia de estado o de forma pero sigue siendo la misma sustancia, hablamos de un cambio . Cuando los átomos se reorganizan y aparece una sustancia nueva, hablamos de un cambio . Según la ley de proporciones definidas de , un compuesto puro combina sus elementos siempre en la misma de masas. Según la ley de , en un sistema cerrado la masa de los productos es a la de los reactantes, porque los átomos no se crean ni se .
Un estudiante registra estas cuatro observaciones en el laboratorio: (1) un cubo de hielo que se derrite y forma agua líquida; (2) un clavo de hierro que, tras semanas a la intemperie, se cubre de una capa rojiza que se desprende; (3) azúcar que se disuelve por completo en una taza de café; (4) alcohol que se evapora de un plato. De acuerdo con estas observaciones, ¿cuál corresponde a un cambio QUÍMICO y por qué?
Se estudian dos muestras de sulfuro de hierro(II) puro provenientes de yacimientos distintos. La muestra A contiene 7 g de hierro y 4 g de azufre. La muestra B contiene 14 g de hierro y 8 g de azufre. De acuerdo con estos datos, ¿qué afirmación es más consistente con la ley de proporciones definidas?
Una compañera mezcla dos disoluciones transparentes en un frasco cerrado y se forma un sólido blanco (un precipitado). Pesa el frasco tapado antes y después de mezclar y obtiene exactamente la misma masa. Ella concluye: 'la balanza debe estar mala, porque apareció un sólido que antes no existía, así que se tuvo que crear masa'. Explícale, usando lo aprendido, por qué su razonamiento es incorrecto.
síntesis
Para cerrar
Hoy instalamos las tres ideas base de la unidad:
- Cambio físico vs. químico: solo hay cambio químico si aparece una sustancia nueva (color permanente, gas, precipitado, cambio de temperatura propio, difícil de revertir). Disolver azúcar es físico.
- Proporciones definidas (Proust): un compuesto puro combina sus elementos en una razón de masas fija (agua siempre 1 : 8). Lo constante es la razón, no la masa total.
- Conservación de la materia (Lavoisier): en un sistema cerrado, masa de productos = masa de reactantes, porque los átomos solo se reordenan.
Reto final de recuperación: se hacen reaccionar 4 g de hidrógeno con 32 g de oxígeno en un recipiente cerrado y se forma agua. ¿Qué masa de agua se obtiene y qué ley usaste? (Pista: los átomos no se crean ni se destruyen.) La respuesta es 36 g, por conservación de la materia.
El paso siguiente lleva la conservación a sistemas abiertos: qué pasa cuando un gas escapa o entra (la vela que se consume, un metal que se oxida y “gana” masa), y cómo hacer el balance completo sin que parezca que se viola la ley. Estas tres leyes ponderales son la base de la estequiometría que trabajaremos durante toda la unidad.
Piensa sobre tu aprendizaje
- Vuelve a las tres afirmaciones del inicio. ¿Cuáles resultaron falsas y por qué?
- Con tus palabras: ¿qué evidencia buscarías para decidir si un proceso fue un cambio físico o químico?
- ¿Qué te costó más: distinguir físico de químico, calcular la razón de Proust o justificar la conservación?
referencias
Bibliografía
- 01Chang, R. & Goldsby, K. (2017). Química (12ª ed.). McGraw-Hill.
- 02Petrucci, R., Herring, F., Madura, J. & Bissonnette, C. (2017). Química General (11ª ed.). Pearson.
- 03Khan Academy. Composición de la materia y leyes ponderales. https://es.khanacademy.org
- 04Lavoisier, A. (1789). Traité élémentaire de chimie. París: Cuchet.