Estudio de la relación entre la temperatura y la solubilidad
¿Cómo se ve afectada la solubilidad en agua del fosfato de sodio
anhidro (Na₃PO₄) al variar su temperatura?
Introducción:
Introducción a la investigación
En este trabajo se realizará un estudio para comprobar la tendencia de la relación entre la
temperatura y la solubilidad en agua de una sal, en específico el fosfato de sodio anhidro
(Na₃PO₄) a través de un experimento. Los resultados serán graficados para poder medir
correctamente la tendencia.
Objetivos:
1.​ Encontrar la relación entre las magnitudes de temperatura y solubilidad utilizando el
Na₃PO₄ como un ejemplo.
2.​ Realizar un experimento en el laboratorio con múltiples réplicas con una metodología
bien establecida y correcta que haya sido diseñada por mí.
3.​ Crear gráficos y tablas con los resultados para hacer un análisis satisfactorio
Introducció teòrica:
Solubilidad
La solubilidad es una propiedad clave de las sustancias químicas que define la capacidad de
un soluto para disolverse en un solvente, formando una solución homogénea. Este fenómeno
depende de diversos factores, como la naturaleza química del soluto o del solvente, la presión
y, de manera especialmente significativa, la temperatura.
Para que una sal se disuelva en el agua tiene que realizar una reacción de disociación, que
sigue una fórmula parecida a la siguiente:
+
−
𝐴𝐵 → 𝐴 + 𝐵
Las reacciones de disociación suelen ser ligeramente endotérmicas, absorben calor para
reaccionar, por lo tanto si la temperatura de la solución aumenta, el proceso de disociación
debería de ser facilitado y aumentaría la solubilidad. Sin embargo, si la reacción es
exotérmica, el aumento de calor en la solución dificultará la reacción y disminuiría la
solubilidad.2 3
Sal usada
El fosfato de sodio anhidro (Na₃PO₄) ha sido seleccionado como objeto de estudio por tener
un coste asequible, segura y no dañina para el entorno, ya que puede ser desechada por el
desagüe. En solución acuosa, el (Na₃PO₄) se disocia en iones de sodio (Na⁺) y fosfato (PO₄³⁻)
en la siguiente ecuación:
+
3−
𝑁𝑎₃𝑃𝑂₄ → 3𝑁𝑎 + (𝑃𝑂4)
En una reacción endotérmica. Como la sal es anhidra, no puede estar en contacto con el
ambiente mucho tiempo para así evitar que la sal absorba la humedad.
Al ser una sal con fosfatos, suele ser comúnmente usada en la industria alimentaria, para la
creación de detergentes y en la producción de fertilizantes.1 2 3
Metodologia:
Pregunta de investigación
La pregunta de investigación de este trabajo es la siguiente:
¿Cómo se ve afectada la solubilidad del fosfato de sodio anhidro (Na₃PO₄) al variar su
temperatura?
Hipòtesis
Teniendo en cuenta los puntos mencionados en la introducción teórica, la hipótesis planteada
es la siguiente:
La solubilidad del fosfato de sodio anhidro tenderá a aumentar cuando aumente la
temperatura.
Diseño experimental
El experimento servirá para encontrar la cantidad de sal que se ha disuelto en 100 ml de agua
en 3 temperaturas diferentes. Para ello se disolverá una cantidad en exceso de sal en el agua,
se filtra con un papel de filtro y luego se secará y se pesará la cantidad de soluto restante. El
experimento podría ser realizado por cualquier sal, pero él (Na₃PO₄) ha sido escogido por ser
económico y seguro
Variables:
La variable independiente del experimento será la temperatura de la disolución saturada, ya
que es la variable que podemos directamente modificar a través de la placa calefactora.
La variable dependiente será la solubilidad del Na₃PO₄ en agua ya que es la consecuencia
directa del cambio de temperatura y el objetivo del estudio.
En la siguiente tabla se pueden ver las distintas variables controladas, los motivos para
controlarlas y los métodos con los que se pueden controlar:
Tabla 1
variables controladas
Motivos para controlarlas
Volumen de agua usado
El
experimento
podría
Métodos para controlarlas
ser Para mantener el volumen
realizado con volúmenes de agua constante
irregulares,
puesto
solubilidad
se
que
se
puede
la simplemente siempre usar una
mantiene cantidad fija de agua, 100 ml.
constante al variar el volumen,
pero así se facilitan los cálculos
y interpretación de los resultados
Sal usada
Distintas sales tienen distintas La misma sal será siempre
solubilidades, por lo tanto, si hay usada, fosfato de sodio anhidro
una variación en la sal usada los (Na₃PO₄)
resultados
perderán
su
coherencia
Pérdida de agua
Al calentar el agua se perderá Para evitarlo se creará un
una pequeña cantidad, lo que sistema cerrado tapando el
afectará
el
resultado
de matraz erlenmeyer
solubilidad final.
Consideraciones éticas, de seguridad y medioambientales:
El Na₃PO₄ es una sal relativamente segura, no muestra riesgos a los seres humanos ni al
medioambiente, el único riesgo en el experimento es quemarse con agua caliente.
Material:
-​ Vaso de precipitados
-​ Bascula (±0.001)
-​ Placa calefactora
-​ Estufa
-​ Agua
-​ Fosfato de sodio anhidro
-​ Varilla de vidrio
-​ Vidrio de reloj
-​ Espátula
-​ Embudo
-​ Papel de filtro
-​ Matraz erlenmeyer
Procedimiento:
Las instrucciones paso a paso para replicar el experimento son las siguientes:
1)​ calentar el agua en el vaso de precipitados a la temperatura que requiere la réplica
2)​ Añadir 10 g de Na₃PO₄ a el agua,
3)​ Mezclar la solución hasta que se haya disuelto por completo.
4)​ En caso de que se haya disuelto por completo, repetir los pasos 3 y 4
5)​ Si la solución se ha saturado, se tiene que filtrar la solución con el embudo y el papel
de filtro en el segundo matraz erlenmeyer.
6)​ Secar el papel de filtro en la estufa hasta que esté completamente seco.
7)​ Pesar el papel de filtro secado
Resultados
Resultados en bruto
Los resultados han sido recopilados en la siguiente tablas donde A representa la masa inicial
del papel de filtro, antes de filtrar, B representa la masa de Na₃PO₄ añadida a la solución y C
la masa final del papel de filtro, después de ser secado, las columnas se ven repetidas para
poder representar las dos réplicas:
Tabla 2:​
​
A1
A2
B1
B2
C1
C2
303K
3.1g
2.8g
20g
20g
5.2g
6.4g
323K
2.9g
4.2g
30g
30g
7.1g
6.3g
353K
3.2g
4.4g
70g
70g
3.8g
5.2g
Tratamiento de datos
Con las tablas obtenidas se puede obtener la solubilidad con la siguiente fórmula, las masas
tienen que estar en gramos y el volumen en litros:
𝑠𝑜𝑙𝑢𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑(𝑔/𝐿) =
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑁𝑎₃𝑃𝑂₄ 𝑢𝑠𝑎𝑑𝑎 − (𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑎𝑝𝑒𝑙 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑎𝑝𝑒𝑙 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙)
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛
por ejemplo, para calcular la solubilidad de la primera réplica con 303K se tiene que hacer el siguiente
cálculo:
𝑠𝑜𝑙𝑢𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 =
20−(5.2−3.1)
0.1
= 179𝑔/𝐿
En la siguiente tabla se pueden ver todas las solubilidades en cada réplica y la media entre las dos
réplicas:
Tabla 3:
Replica 1
Replica 2
Media
303K
179g/L
164g/L
171.5g/L
323K
258g/L
279g/L
286.5g/L
353K
694g/L
692g/L
693g/L
Gráfico 1:
Propagación de errores
Cada medida realizada en el experimento tiene un error respectivo, esas incertidumbres se
ven luego plasmadas en el resultado final, en este caso la concentración. Para calcular el error
total de la concentración, es necesario saber el error sistemático y aleatorio del volumen y la
masa.
El error sistemático es fijo en cada medida, siendo la incertidumbre aportada por el
instrumento usado, la báscula para la masa y la pipeta para el volumen, estos errores pueden
ser comprobados al inspeccionar los utensilios:
Error sistemático de la báscula: ±0.001g
Error sistemático de la pipeta: ±0.2ml
Para calcular el error aleatorio se debe de usar la siguiente fórmula:
σ=
𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜−𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜
2
Entonces, por ejemplo, para calcular el error sistemático de la masa para la réplica 1 de 303K
se debe de realizar este cálculo:
σ=
(20−6.4+2.8)−(20−5.2+3.1)
2
=± 0. 75g
Como el volumen no puede cambiar entre réplicas, el ser siempre 100ml, el único error que
tendrá el volumen será el sistemático
En la siguiente tabla se puede ver el error aleatorio de la masa para cada valor
Tabla 4:
303K
±0.75g
323K
±1.05g
353K
±0.1g
Para propagar el error se debe de usar el error total. Puede ser calculado con la siguiente
fórmula:
𝐸𝑇 =
2
(𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚á𝑡𝑖𝑐𝑜) + (𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑎𝑙𝑒𝑎𝑡𝑜𝑟𝑖𝑜)
2
Entonces, por ejemplo, para calcular el error total de la masa a 303K se debería de realizar el
siguiente cálculo:
𝐸𝑇 =
2
2
0. 001 + 0. 75 =± 0. 75𝑔
En la siguiente tabla se puede ver el error total de la masa en cada temperatura:
Tabla 5:
303K
± 0. 75 𝑔
323K
± 1. 05 𝑔
353K
± 0. 1 𝑔
La concentración es la división de la masa entre el volumen, por lo tanto la siguiente fórmula
será usada para propagar el error
𝑆𝑖 𝑦 =
𝑎𝑏
𝑐
;
δ𝑦
𝑦
=
δ𝑎
𝑎
+
δ𝑏
𝑏
+
δ𝑐
𝑐
Por ejemplo, el error de la concentración cuando la temperatura es 303K puede ser
encontrado con el siguiente cálculo:
0.75
δ𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 171. 5( 17.9 +
0000.2
)
0.1
=± 8𝑔/𝐿
En las siguiente tabla se puede ver el error propagado a la concentración media en cada
temperatura:
Tabla 6:
303K
± 8 𝑔/𝐿
323K
± 12 𝑔/𝐿
353K
± 3 𝑔/𝐿
Con el error de la concentración calculado se pueden representar de nuevo los resultados en
un gráfico, esta vez con sus respectivos errores
Grafico 2:
Análisis de datos
Con las solubilidades calculadas, sus respectivos errores propagados y la tendencia de la
solubilidad con la temperatura graficada podemos observar como hay una clara tendencia
exponencial entre las dos variables, cuando la temperatura aumenta, la solubilidad aumenta
cada vez más y más rápido. podemos suponer que la función debería de tener una asíntota en
x=0, ya que es completamente ilógico que la solubilidad sea menor a 0.
Respecto al error obtenido, podemos ver como es relativamente bajo, comparado con las
solubilidades obtenidas y siendo muy inconsistentes, en cada réplica el error es
sustancialmente distinto, esto se debe el variable error aleatorio obtenido por culpa de las
pocas réplicas realizadas.
Conclusión
En conclusión, la solubilidad del fosfato de sodio anhidro aumentará exponencialmente
cuando aumente la temperatura. Ya que pasa de ser 171.5± 8 𝑔/𝐿 a 303K, a 286.5± 12 𝑔/𝐿
cuando la temperatura es 323K y se convierte en 693± 0. 1 𝑔/𝐿 cuando la temperatura es 353K.
Como fue comentado en el marco teórico, esta tendencia exponencial se debe a la mayor
energía en el agua, que permite al Na₃PO₄ romper sus enlaces con mayor facilidad. Por lo
tanto, la reacción de descomposición del Na₃PO₄ es endotérmica, absorbe calor para realizar
la reacción.
Las conclusiones obtenidas de este experimento pueden ser comparadas con las conclusiones
obtenidas
de otras
investigaciones realizadas
en entornos más profesionales y
experimentados. En la siguiente tabla se pueden ver varias bases de datos consultadas con las
solubilidades obtenidas experimentalmente que han observado en comparación con las
resultantes del trabajo:
Tabla 7:
Pubchem4
Wikipedia5
Trabajo presente
Solubilidad a 293K
121g/L
121g/L
-
Solubilidad a 303K
-
163g/L
171.5 ± 8 g/L
Solubilidad a 323K
-
-
286.5 ± 12 g/L
Solubilidad a 353K
-
600g/L
693 ± 0.1 g/L
Tendencia de la
exponencial
exponencial
exponencial
solubilidad con la
temperatura
Como se puede ver en la tabla, las solubilidades obtenidas son relativamente parecidas a las
determinadas experimentalmente anteriormente, pero aún así se puede ver como la
incertidumbre y el valor obtenido, debido a las pocas réplicas realizadas, no incluyen a los
valores de otros estudios.
Evaluación
En retrospectiva, he visto como los resultados obtenidos no coinciden perfectamente con los
ya establecidos previamente, por lo tanto en el experimento han habido varios errores que
podrías ser resueltos o optimizados, los he recopilado en la siguiente tabla, donde en la
primera columna se comenta la limitación en consideración, en la segunda los aspectos
afectados por el problema y en la tercera posibles mejoras realistas para ellos.
Limitaciones
Aspectos afectados
Posibles mejoras
Errores inconsistentes y no
Afecta a la fiabilidad de los
Realizar más réplicas para
representativos
resultados obtenidos.
obtener un valor más
cercano a la solubilidad real.
Alta cantidad de sal usada
Aunque el Na₃PO₄ sea
Realizar el experimento en
seguro y económico, usar
un volumen menor de agua
demasiado es igualmente un
para, por consecuencia no
gran desperdicio.
tener que usar tanto Na₃PO₄.
Pocas temperaturas
Con únicamente la
Repetir el experimento a
observadas
solubilidad a 3 temperaturas
más temperaturas distintas
distintas ya se puede
para complementar las
observar la tendencia
medidas ya tomadas.
exponencial del gráfico,
pero con más puntos se
podría crear un gráfico
mucho más exactao
También me gustaría destacar, que en caso de tener la oportunidad de repetir el experimento,
me hubiera gustado poder realizar réplicas con sales distintas para así poder determinar otras
curvas de solubilidad para más sales.
Referencias
1.​ Bolívar, G. (2024, September 30). Fosfato de sodio. Lifeder.
https://www.lifeder.com/fosfato-sodio/
2.​ Bylikin, S., Horner, G., Murphy, B., & Tarcy, D. (2014). Oxford IB
Diploma Programme: Chemistry Course Companion (2014th ed.).
Oxford University Press.
3.​ Fosfato Trisódico Anhidro. (n.d.). T3quimica.com. Retrieved January
31, 2025, from https://www.t3quimica.com/fosfato-trisodico-anhidro
4.​ PubChem. (n.d.). Trisodium phosphate. Nih.gov. Retrieved January 31,
2025,
from
https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Trisodium-phosphate
5.​ Wikipedia
Wikipedia,
contributors.
The
(2024,
October
30). Solubility table.
Free
Encyclopedia.
https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Solubility_table&oldid=12
54298639