Estaba pensando en algo de física (relatividad en particular), cuando de repente se me ocurrió que toda mi vida había estado equilibrando ecuaciones químicas asumiendo la conservación de la masa, ¡pero estaba despreciando la energía!
Pensemos, por ejemplo, en la combustión: $$\rm CH_4 + 2O_2 \to 2H_2O + CO_2 + {Energy}$$
Sin embargo, dado que se liberó energía, parte de la masa debería haberse convertido en energía, ¿no? ¿Por qué la ecuación refleja un equilibrio de masas?
Hagamos un análisis y veamos la diferencia. Las entalpías de formación relevantes son
Por lo tanto: $$\rm CH_4 + 2O_2 \to 2H_2O + CO_2 + 802.3 \text{kJ}$$ La masa de los productos y reactantes sin preocuparse de la energía sería: $$12.01 + 4(1.01) + 4(16.00) = 80.04\text{g/mol}$$ Ahora comprobando la energía liberada: $$m/\text{mol} = \frac{E/\text{mol}}{c^2} = \frac{802.3\text{kJ/mol}}{(3.0\times 10^8 \text{m/s})^2} = 8.9 \times 10^{-9}\text{g/mol}$$ o sólo un poco más de 1 parte en $10^{10}$ .
Por tanto, la cantidad de masa que se pasa por alto al no tener en cuenta la energía está muy por debajo del nivel de precisión que se utiliza normalmente. En general, la cantidad de masa que se pierde en las reacciones puede ignorarse hasta que se alcanzan energías nucleares.
Esta es la respuesta que venía a escribir. Otra forma de verlo es que las energías de ionización y excitación de un átomo o molécula se miden normalmente en eV, mientras que la masa de un átomo o molécula se mide normalmente en $\rm dalton = amu \approx GeV/\mathit c^2$ . Un cambio de unos pocos eV en un sistema como $\rm CH_4 + 2O_2$ con masa total $\sim 48\,\mathrm{GeV}/c^2$ es una corrección de la masa a partir del décimo decimal.
Para que la masa se convierta en energía, una partícula subatómica debe aniquilarse, lo que no ocurre en una reacción química. Aunque es interesante que puedas usar E=mc2 para convertir la energía en una masa aparente, está fuera de base. ¿Cuando una manzana de 100 g cae de un árbol de 1 m decimos que 0,98 J se convirtieron en masa y que la manzana es más ligera? Yo creo que no, pero si es verdad, ¿dime qué partícula de la manzana se ha aniquilado?
@PhysicsDave no, no hay que quitar ninguna partícula para que la masa sea diferente. Véase también el duplicado que se encontró que va más explícitamente en la equivalencia (que sólo asumí en mi respuesta). physics.stackexchange.com/questions/11449/
Además de la respuesta de TechDroid, la energía también está presente en los enlaces químicos. Cuando algunos enlaces de mayor energía (menos estables) se rompen para formar otros de menor energía (más estables) (es decir, reacciones exotérmicas), esa diferencia de energía puede liberarse en forma de energía.
Por tanto, casi toda esa "+ energía" se debe a la energía que liberan los propios enlaces, y no la materia.
Puedes decirlo sólo porque los cambios son insignificantes. En realidad no aporta nada. Lo mismo podría ocurrir a nivel nuclear sustituyendo los enlaces químicos por los de nucleones. Sólo en ese caso las masas implicadas sufren muchos cambios.
Es curioso que des por sentada una clara distinción entre masa y energía mientras que la intercambiabilidad de ambos términos parece estar en el centro de la cuestión.
-1 Esta respuesta parece implicar que el cambio de energía de las reacciones químicas no se corresponde con un cambio de masa. Es precisamente esta idea errónea la que hay que disipar. (Sí, el cambio de masa es difícilmente detectable, pero está ahí).
La respuesta de Bowl es acertada, pero quiero corregir una cosa que probablemente ha llevado a tu confusión: las ecuaciones químicas no equilibran la masa. Equilibran moles (o átomos individuales, si prefieres verlo así): dos carbonos dentro, dos carbonos fuera, independientemente de su configuración. Esto no cambia, a diferencia de la masa: el dióxido de carbono tiene una masa (muy ligeramente) inferior a la de un carbono más dos oxígenos, pero sigue teniendo un carbono y dos oxígenos.
Up votado pero ya tiene en cuenta la física tal cual. Prácticamente en química el equilibrio implica tanto los moles como las masas que vienen. Simplemente porque no hay diferencia práctica entre ambos.
Es un comentario gracioso. Obviamente, la química clásica se basa en la noción de la conservación de la masa. transformación no creación o destrucción. Uno de los primeros experimentos escolares capta el gas resultante de una combustión y demuestra que en realidad no desaparece ninguna masa. Ese es el fundamento de todo lo que sigue.
@PeterA.Schneider Sí, desde luego. Pero eso también son experimentos de épocas en las que ni siquiera nos dábamos cuenta de que el agua tiene dos átomos de hidrógeno, y mucho menos los cambios de masa absurdamente minúsculos de la energía absorbida/liberada. La química es una ciencia antigua. Las ecuaciones estoquiométricas modernas siguen representando la misma idea, pero no están realmente ligadas a ella. Dos átomos de hidrógeno y un oxígeno siguen formando una molécula de agua, aunque esos átomos de hidrógeno tengan un neutrón extra y, por tanto, el doble de masa (aunque a veces se utilice D en lugar de H, dado lo obvia que es la diferencia).
En realidad sí, pero la cantidad convertida es tan pequeña que se considera insignificante en el contexto del mundo real. Basándonos en la famosa ecuación de Einstein ( $E=mc^2$ ), se puede extraer mucha energía de una masa realmente pequeña, y la reacción del metano y el oxígeno produce una cantidad relativamente pequeña de energía que equivale a una masa mucho más pequeña meramente insignificante. La bomba atómica atestigua la cantidad de energía en la que pueden descomponerse unos pocos gramos de masa.
Además, la noción de que la energía ganada para conseguir la libertad de cada átomo que reacciona tiene que ser cedida para formar un enlace estable (eso que suena lógico pero no estoy del todo seguro ya que no he explorado mucho ese terreno) es también un argumento sólido a tener en cuenta.
Creo que he encontrado la respuesta (aunque puede que sea incorrecta, por favor, hágamelo saber). Además, esta respuesta es muy conceptual, más que teórica. Suponemos lo siguiente:
Todos los protones experimentan una fuerza de repulsión y los electrones hacen lo mismo. Para contrarrestar esta fuerza de repulsión, las fuerzas intermoleculares provocadas por el enlace de hidrógeno, el enlace dipolar dipolar, etc. mantienen unido al átomo.
Por ejemplo, supongamos que la fuerza de repulsión entre dos átomos de O2 es de 5 newtons (obviamente no está a escala). Así, para mantener las partículas juntas tiene que haber una fuerza contraria de 5 newtons. Cuando rompemos estos enlaces intermoleculares (lo que se consigue fácilmente excitando los átomos mediante la adición de calor, haciendo que los átomos se agiten vigorosamente y aflojando las fuerzas intermoleculares) la fuerza intermolecular disminuye y el resultado es que la fuerza de repulsión aplica una fuerza de unos 5 newtons durante una cierta distancia d. Esta Fuerza*Distancia es la definición misma de Energía.
Las partículas excitadas encuentran ahora otros átomos a los que unirse. Como se han liberado, ahora pueden unirse a átomos que permitan una menor fuerza de repulsión. Los compuestos favorables en la combustión son el agua y el dióxido de carbono. Ninguna materia se convirtió en energía.
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No veo ninguna masa en esta ecuación.