LA LEGGE della conservazione della massa o Legge di Lavoisier è la legge CARDINE SULLA QUALE SI fonda TUTTA LA CHIMICA. A PARTIRE DA QUESTA SCOPERTA è STATO POSSIBILE MUOvere I primi PASSI IN UNA SCIENZA TUTTA NUOVA.
DA DOVE PARTE L’IDEA?
Sono sicuro che almeno una volta nella vita abbiate sentito o letto queste parole “nulla si crea, nulla si distrugge ma tutto si trasforma“. Queste parole spesso usate anche in situazioni che di scientifico non hanno nulla sono il cardine sul quale si fonda la Chimica. Partiamo però dall’inizio per arrivare a scoprire chi veramente ha formulato quella frase e che significato ha sulle nostre vite.
La prima testimonianza storica che abbiamo riguardante questa Legge risale agli antichi greci; all’epoca la cultura era creata e trasmessa dai filosofi e dai pensatori. Tra le varie teorie che i pensatori nei secoli dello splendore greco hanno elaborato c’è stato qualcuno che ha espresso in maniera simile il concetto della conservazione della Massa come oggi lo conosciamo. La maggior parte delle affermazioni che in quegli anni si fecero erano prive di fondamento e si proponevano tantissime teorie ma quasi nessuna veniva dimostrata con esperimenti o calcoli. Con il senno di poi sarebbe facile attribuire a questi pensatori il merito di aver dedotto tale Legge ma proviamo a ragionare meglio.
Se 100 persone esprimono 100 teorie diverse basate solo sulla deduzione logica senza sperimentazione è statisticamente possibile che una di queste teorie sia quella “giusta”. Il merito della scoperta spetta a chi dimostra in maniera rigorosa una legge o un teorema non a chi per prima l’ha pensato senza però andare oltre. La Scienza si basa su questo principio. Questo stesso ragionamento lo possiamo fare anche con la Teoria atomica di Democrito.
Dunque i greci furono i primi a intuire che la Natura potrebbe seguire la Legge della Conservazione della Massa ma senza dimostrare come ciò avvenisse. Dobbiamo aspettare più di 2000 anni affinchè si riesca a dare una valenza scientifica a tale concetto.
In tempi moderni fu Michail Vasil’evič Lomonosov, “chimico” russo, che riporto questo concetto in auge nel 1748 definendolo nei seguenti termini “se da qualche parte la materia scade è perchè da un’altra parte essa è aumentata“.
Il grande contributo che vide definitivamente l’accettazione di questo concetto è dovuto al padre della Chimica Moderna, Antoine-Laurent de Lavoisier che completò nella seconda metà del 1700 il concetto di Conservazione della Massa. Con l’uso della bilancia per determinare la massa e la possibilità di determinare i volumi dei gas con un’accuratezza accettabile riuscì a eseguire una serie di esperimenti su molte reazioni per arrivare negli anni a dimostrare che:
In una reazione chimica la massa complessiva dei reagenti è uguale alla massa complessiva dei prodotti.
Definizione analoga al concetto che niente si distrugge o si crea ma tutto si trasforma.
LE MASSE SONO SEMPRE UGUALI
Ora che ci siamo fatti la lezione di Storia per contestualizzare il concetto analizziamolo più da vicino.
Cosa si intende dire esattamente quando esprimiamo la Legge della Conservazione della Massa con la definizione espressa prima?
Non c’è metodo migliore per capirla che provare a immaginarci una reazione chimica. Partiamo da 65g di Zinco (Zn) e facciamoli reagire con 32g di Zolfo (S), la reazione procede e quello che otteniamo è un sale avente formula ZnS.
Zn + S ======> ZnS
Affinchè la Legge sia rispettata ci aspettiamo che la massa del prodotto sia uguale alla somma della masse dei singoli reagenti, quindi:
- Massa reagenti: Zn= 65g S= 32g
- Totale massa reagenti = 65g + 32g = 97g
Se abbiamo lavorato con la precisione necessaria e non abbiamo fatto pasticci alla fine della reazione abbiamo ottenuto proprio 97g di ZnS. Tutta la massa dei reagenti si è conservata perfettamente nella massa dei prodotti. La conversione totale della massa dai reagenti ai prodotti è sicuramente una trasformazione facilmente intuibile, è necessario però formalizzarla con gli esperimenti e i calcoli per essere sicuri che non ci siano delle eccezioni.
Vediamo ora un esperimento che a prima vista potrebbe sfuggire a questa Legge. Prendiamo un bicchiere pieno di acqua e annotiamo la massa, 156g. Abbiamo bisogno anche di una pastiglia effervescente, annottiamo anche la sua massa 5g. Se mettiamo la pastiglia nell’acqua sappiamo benissimo quello che succede, la pastiglia comincerà a dissolversi in acqua facendo tutta una serie di bollicine. Lasciamo che la pastiglia si dissolva tutta e vediamo se la massa totale risulta essere di 161g. Metto il bicchiere sulla bilancia è la massa che ottengo è di 160,5g, che cos’è successo?
Partiamo dall’ipotesi che la bilancia segni sempre la massa esatta di quello che misura possiamo quindi escludere che la bilancia sia difettosa. Dove sono andati a finire 0,5g?
Per rispondere dobbiamo osservare bene quello che è successo. La pastiglia effervescente contiene oltre al principio attivo che ci cura anche altre 2 sostanze almeno, uno è un acido organico che generalmente è acido citrico o malico e l’altra sostanza è un carbonato (CO32-) oppure un bicarbonato (HCO3–). La reazione tra queste sostanze produce un gas chiamato anidride carbonica (CO2) il quale tenderà ad uscire dalla soluzione e a disperdersi nell’aria circostante. Per questo motivo la massa sembra diminuire tra i prodotti. Bisogna tenere conto della massa di ogni sostanza che si “crea” affinchè la Legge sia valida, anche di quelle sostanze che non vediamo.
Sicuramente la possibilità di lavorare con i gas in maniera rigorosa ha ritardato di molto la dimostrazione di questa Legge, ricordiamo che gli antichi greci non avevano la tecnologia che disponevano gli Illuministi della fine del 1700.
Domanda
Perchè a volte si usano le pastiglie effervescenti e non la pastiglia “solida”?
MASSA = ENERGIA
Per circa 200 anni la Legge della Conservazione della Massa non ha mai fallito un colpo, è stata sottoposta a tantissime verifiche sperimentali e non ha mai ceduto. Tutta la Chimica fino ai primi del 1900 funzionava e dava i suoi frutti sulla base di tale Legge.
è stato necessario l’arrivo di un grandissimo genio per accorgersi che questa Legge è giusta solo parzialmente, o meglio, è solo un frammento di una Legge più generale dell’Universo.
Con l’introduzione della Relatività speciale di Albert Einstein ci si accorge che la massa e l’energia non sono più 2 entità completamente slegate una dall’altra ma che in realtà sono manifestazioni diverse di uno stesso fenomeno. La celebre equazione:
E = m c2
Dove
- E = energia (J)
- m = massa (kg)
- c = velocità luce nel vuoto (m\s)
è di importanza cruciale per la Fisica e la Chimica.
Cerchiamo di capire come questa equazione si collega alla Legge della Conservazione della Massa.
Prendiamo 10kg di carbone per la griglia e diamogli fuoco. Se assumiamo che il carbone è composto da Carbonio puro è possibile ricavare la massa di Ossigeno necessario affinchè avvenga la seguente reazione:
C + O2 ======> CO2
La quantità di ossigeno necessaria ammonta a 26,67kg. Sappiamo però questa è una reazione di combustione e come ogni reazione di combustione si produce una quantità significativa di energia sotto forma di calore e di luce. Se assumiamo che il calore liberato da questa reazione sia pari a 3,3 108 J possiamo ricavarci dall’equazione scritta prima la quantità di massa che ha prodotto tale energia.
- m = E \ c2 = 3,3 108 kg m2\s2 \ (299792458 m\s)2 = 3,7 10-9kg
Il risultato che abbiamo ottenuto si può interpretare nella seguente maniera: “dalla combustione di 10kg di carbone e 26.67kg di ossigeno si producono 3,3 108 J di energia, per produrre questa energia è necessario che 3,7 10-9g tra carbonio e ossigeno si convertano in energia. A prima vista questo potrebbe essere un concetto un po’ fuori dal comune ma le Leggi della Fisica sono queste e perciò vanno rispettate, anche se ci appaiono strane.
La formula che abbiamo applicato prima amplia il concetto di massa e lo integra con quello di energia, ora massa e energia comunicano. Ovunque ci sia perdita di energia verso l’esterno rispetto al sistema considerato c’è stata anche una diminuzione di massa e ovunque c’è un guadagno di energia la massa del corpo è aumentata (in realtà la situazione è molto più complessa ma non è questo il luogo adatto per approfondire).
A livello atomico cosa succede?
Se prendiamo la Legge di Lavoisier senza tenere conto della relazione massa\energia possiamo immaginarci che tutti i miliardi di atomi che compongono i reagenti si ricombinino a dare altre combinazione degli stessi atomi nei composti che costituiscono i prodotti. In questo caso tutti gli atomi resteranno nel prodotto e la massa resterà esattamente la stessa.
Abbiamo visto però che la Natura non funziona così e che quanto detto una riga sopra non è che un’approssimazione della realtà. Abbiamo visto che Energia e Massa sono legate da una semplice equazione che sostanzialmente ci dice che le 2 grandezze sono interconvertibili una nell’altra.
Quindi quando facciamo i calcoli per le reazioni chimiche dobbiamo sempre calcolarci la massa persa o acquistata (ricordiamoci che esistono reazioni esotermiche ed endotermiche) visto che la maggior parte delle reazioni chimiche coinvolgono scambi di calore? Per fortuna no, l’energia in gioco quando si parla di reazioni chimiche è talmente bassa che la massa “scambiata” è dell’ordine nel ng, una quantità così minuscola che nessuna tecnologia oggi disponibile è in grado di rilevare.
In definita l’approssimazione di considerare la massa costante tra prodotti e reagenti in una reazione chimica è del tutto lecita, l’errore che commettiamo è totalmente insignificante per poter essere rilevato.
Ha però senso quanto trattiamo le reazioni nucleari, in quel caso l’energia coinvolta è talmente grande che la massa che “sparisce” è significativa e può essere misurata.
LA LEGGE É SEMPRE VALIDA?
Possiamo ora domandaci se la Legge della Conservazione della Massa – Energia sia sempre valida in tutto l’Universo. La risposta è che non lo sappiamo. Tutti i fenomeni fino adesso descritti dalla Scienza si sono dimostrati pertinenti a questa Legge ma sappiamo anche che i fenomeni da noi interpretati non sono che una frazione della miriade di sfumature che l’Universo può prendere.
Se vogliamo essere più precisi possiamo affermare con una buona percentuale di sicurezza che la Legge sia valida in tutto l’Universo perchè abbiamo molti indizi che ci permettono di pensare così. Non bisogna però focalizzarsi sul fatto che una Legge è statica e immutabile. Sarebbe presuntuoso credere che il genere Umano abbia già in 300 anni di Scienza svelato i meccanismi più intimi dell’Universo.
Immaginatevi di essere un chimico del 1850, potreste giurare che la Legge di Lavoisier sia totalmente corretta in tutto l’Universo ma ecco che arriva un fisico tedesco che scardina le vostre convinzioni con dimostrazioni inconfutabili. Il livello di tecnologia della nostra società magari non ci ha ancora permesso di esplorare quella faccia dell’Universo dove la Legge di Conservazione non è valida, chi lo sa?
Risposta
Le pastiglie effervescenti sono fatte in maniera tale che il principio attivo sia disperso nella massa della pastiglia, quando i 2 reagenti si dissolvono e reagiscono permettono al principio attivo che è già in forma di polvere fine di solubilizzarsi meglio in acqua. Generalmente più un cristallo è grande e più tempo ci vuole per scioglierlo. Le pastiglie effervescenti permettono quindi un acceso più rapido al farmaco.
