Determinação da concentração micelar crítica de um surfactante

Determinação da concentração micelar crítica de um surfactante

Universidade Federal de Santa Catarina

Centro de Ciências Físicas e Matemáticas

Departamento de Química

Relatório da aula prática de Físico-Química

“Determinação da concentração micelar crítica de um surfactante”

Rodrigo Ivan Prim

Bernardo Della Giustina

Mônica Alves Aguiar

Sandro Wopereis

Florianópolis, 17 de abril de 2007.

Resumo

Os surfactantes são moléculas muito interessantes e muito estudadas por suas características únicas, sua capacidade de diminuir a tensão superficial de líquidos como a água e remover eficientemente compostos apolares (gordura, etc.) com o auxílio da água foram amplamente usados pelas indústrias de produtos de limpeza e higiene e antes mesmo de existirem tais indústrias os sabões (que também são surfactantes) já eram produtos caseiros a partir da reação da gordura com bases fortes como o NaOH.

A indústria de medicamentos também vem observando essas propriedades há bastante tempo, desde o já renomado anti-gases luftal até os recentes estudos da utilização de micelas para transportar fármacos. Por essas e outras características os surfactantes são tão mencionados na literatura.

Através deste experimento iremos determinar a tensão superficial da água e da solução do surfactante dodecilsulfato de sódio (SDS) em várias concentrações para podermos confirmar a ação deste tipo de produto e entender seu funcionamento.

Dados Obtidos

Para o teste da determinação da tensão superficial foi utilizado o tensiômetro de Do Nouy. Foram lidas as tensões superficiais em duplicata da água e das soluções do surfactante dodecilsulfato de sódio nas seguintes concentrações: 1,0mM, 2,0mM, 3,0mM, 4,5mM, 5,5mM, 6,5mM e 10,0mM. Os resultados obtidos constam na tabela 1.

Tabela 1: Resultados obtidos no tensiômetro de Do Nouy.

Tubo

Concentração (em mM)

Tensão superficial (em dina/cm)

Substância

1

1,0

48,0

48,5

SDS

2

2,0

41,0

41,5

SDS

3

3,0

38,5

38,0

SDS

4

4,5

39,0

39,0

SDS

5

5,5

38,0

38,0

SDS

6

6,5

38,0

38,25

SDS

7

10,0

40,0

40,0

SDS

8

72,5

73,0

água

Tratamento de dados

Com os valores obtidos nas leituras foram feitas as médias para serem plotadas em um gráfico de dispersão XY conforme figura 1. Através da extrapolação nesse gráfico, pode-se obter o valor da concentração micelar crítica (CMC) que ficou em 38,5dina/cm (tubo 3; concentração de 3mM). As médias estão na tabela 2.

Tabela 2: Médias dos resultados obtidos.

Tubo

Média (em dina/cm)

1

48,25

2

41,25

3

38,25

4

39

5

38

6

38,25

7

40

8

72,75

Figura 1: Gráfico do ln da tensão superficial (em dina/cm;y)

versus médias das concentrações (em mM;x).

Para determinar a área transversal efetiva Γ, do surfactante na monocamada adsorvida na superfície da água, foi usada a concentracão de 1mM, ou seja, 1*10-6 mol/cm3. Foi utilizada também para o cálculo desta área a equação de adsorção de Gibbs (equação 1) como segue abaixo:

γ = -Γ*RT*ln c (equacão 1)

Onde:

γ = Tensão superficial;

Γ = área transversal efetiva;

R = constante universal dos gases;

T = temperatura absoluta;

c = concentracão do líquido.

Logo: 48,5 = - Γ *411,6*ln 1*10-6

Γ =[- 411,6*(-13,82)] / 48,5

Γ = 117,28 Å2/molécula

Foi calculado também o coeficiente angular da porção linear da reta como segue abaixo. Como a reta se apresentou de forma linear foi utilizada a equação da variação de y sobre variação de x (equação 2).

m = ∆y / ∆x (equação 2)

m = 10 / -1,10

m = -9,09

Discussão de Resultados

Os resultados obtidos neste teste foram satisfatórios. Observaram-se as duas retas da linha de tendência como descrito na literatura e através destas pode-se calcular o coeficiente angular da primeira reta (porção linear imediatamente antes da descontinuidade), e o CMC através da extrapolação no gráfico de dispersão logaritmo natural da concentração versus tensão superficial.

Os resultados dos cálculos gerais do experimento se apresentam na tabela 3.

Tabela 3: Resultados gerais dos cálculos do experimento

CMC do surfactante SDS

Coeficiente angular da reta*

Área transversal efetiva

38,5 dina/cm

-9,09

117,28 Å2/molécula

* coeficiente angular da porção linear imediatamente anterior à descontinuidade.

Questionário

1) Defina tensão superficial e tensão interfacial.

Uma molécula no interior de um líquido está sob efeito das forças de atração ou repulsão pelas outras moléculas que a circundam, porém a força resultante é praticamente nula. Já uma molécula na superfície do líquido recebe as mesmas forças de atração e repulsão abaixo só que essas forças não são compensadas, pois não existem moléculas acima, acarretando em uma força resultante para baixo. Esse fenômeno é chamado de tensão superficial.

A tensão interfacial refere-se a misturas que tenham duas ou mais fases. A explicação teórica é a mesma da tensão superficial, só que ao invés da superfície da mistura essa tensão ocorre na zona onde os dois líquidos diferentes se encontram e como eles são diferentes as forças inter-moleculares entre os dois não se anularão, acarretando em resultantes diferentes de zero.

2) Dê exemplos de substâncias que aumentem a tensão superficial da água.

A tensão superficial pode ser aumentada com os sais iônicos. Esses sais, (ex. NaCl), aumentam a tensão superficial, devido ao fato de que os íons dissolvidos, em virtude das atrações íon-dipolo, tendem a puxar as moléculas da água para o interior da solução. Sendo assim, criando uma nova superfície, é necessária a realização de um trabalho adicional contra as forças inter-moleculares.

3) Como são constituídos e como se classificam os surfactantes? Dê exemplos.

Os surfactantes são constituídos de uma porção polar (cabeça polar) e de uma porção apolar (cauda apolar) e se classificam em:

Surfactantes Aniônicos: Cuja cabeça polar tem um íon carregado negativamente como o dodecil sulfato de sódio.

Surfactantes Catiônicos: Cuja cabeça polar tem um íon carregado positivamente como o alquil trimetil amônio.

Surfactantes Neutros: Cuja cabeça é polar, mas não tem caráter iônico como o

Surfactantes Zwitteriônicos: Cuja cabeça polar apresenta tanto íons carregados positivamente quanto negativamente como o propanesulfonato (HPS).

4) Desenhe uma estrutura para a micela.

5) Como agem os xampus e condicionadores?

Os xampus têm em sua composição surfactantes aniônicos para solubilizar e retirar a oleosidade e a sujeira que fica aderida no cabelo, porém as cargas negativas da cabeça polar da molécula formam complexos estáveis com polímeros neutros ou com proteínas, constituintes dos cabelos. Após o uso do xampu o cabelo fica carregado eletrostaticamente devido à repulsão entre as moléculas do surfactante ligadas a queratina.

Já o condicionador é composto por surfactantes catiônicos, cujos não se ligam ao cabelo e são capazes de remover as moléculas do surfactante aniônico do xampu. Neutralizando assim as cargas eletrostáticas que se ligam ao cabelo após a aplicação de xampu.

6) Discuta as aplicações do luftal para uso médico, na diminuição da tensão superficial. (veja a bula do remédio).

O Luftal corresponde a um medicamento anitgases que tem como princípio ativo a dimeticona. Ele atua no estômago e no intestino, diminuindo a tensão superficial dos líquidos digestivos, causando o rompimento das bolhas gasosas que retêm os gases que são posteriormente eliminados pelo organismo.

7) Visite a página qmcweb e leia os artigos 21 e 27. Faça a experiência 21 e responda o exercício da aula.

Respostas dos exercícios:

  1. O primeiro surfactante é aniônico pois apresenta carga negativa, o segundo é catiônico por causa de sua carga positiva e o terceiro é neutro.

  2. A molécula cuja cabeça tem um átomo de fósforo em sua composição é um surfactante, dissociando-se em ácido fraco numa solução aquosa.

  3. Assinale as alternativas verdadeiras:

  • Os surfactantes diminuem a tensão superficial da água. (V)

  • Os surfactantes são insolúveis em água. (F)

  • Existem micelas em uma solução aquosa em qualquer concentração do surfactante. (F)

  • As micelas somente se formam após a CMC. (V)

  • Os surfactantes são capazes de dissolver moléculas de gordura. (V)

  1. Qual afirmação abaixo está incorreta:

    • A adição de surfactante aumenta a condutividade elétrica da água.

    • A CMC pode ser estimada com experimentos de medida de condutividade ou tensão superficial.

    • Os surfactantes catiônicos não são solúveis em água. (Incorreta)

    • Uma solução de surfactante neutro não apresenta condutividade elétrica apreciável.

8) Descreva outro método que poderia ser usado para determinar a tensão superficial.

A tensão superficial poderia ser medida através da comparação da medida de condutividade elétrica do líquido com e sem surfactante, pois com o gráfico da condutividade pode-se encontrar pontos que também seriam encontrados na medida com o tensiômetro, como a CMC.

9) Descreva o que ocorre com a distribuição de íons em interfaces carregadas, segundo o modelo de Stern. Defina plano de cisalhamento e potencial zeta.

O modelo de Stern, também é conhecido como modelo da dupla camada difusa, é o mais aceito atualmente. Supondo que uma superfície de partícula coloidal dispersa em um meio aquoso, por exemplo, sobre a qual se adsorvem cátions. Com isso, ocorre a formação de uma região com nítida carga positiva e isso origina um potencial denominado potencial de Nemst ou eletrotermondinâmico. Os íons que provocam esse potencial são chamados de íons determinantes. Como resultado do desequilíbrio decorrente do acúmulo de cargas positivas naquela região, observa-se um leve acúmulo de ânions, caracterizando uma camada de solvatação, fortemente aderida à superfície da partícula, denominada plano de cisalhamento e apresenta, ainda, potencial elétrico positivo. Os íons responsáveis pela carga desta região são denominados contra-íons e o potencial elétrico resultante chamado de potencial elétrocinético ou potencial zeta.

10) Que tipos de resíduos químicos foram gerados neste experimento e como foram tratados ou armazenados. Explique.

Os resíduos gerados foram as soluções de água e dodecil sulfato de sódio, que puderam ser descartados na pia sem problemas.

Conclusões

As substâncias surfactantes são diminuidoras da tensão superficial. Fazendo uma comparação, para a água, de acordo com o experimento a tensão é 72,75 dina/cm e para a menor concentracão realizada com o SDS (1,0 mM) a tensão é 48,25 dina/cm. Visto isso, o estudo dos surfactantes é extremamente importante, pois é amplamente utilizado em diversas áreas do conhecimento humano.

Além disso, também obteve-se a área transversal Γ do surfactante na monocamada adsorvida na superfície da água (Γ = 117,28 Å2/molécula), que é uma propriedade específica de cada surfactante.

Bibliografia

ATKINS, P.W. Fisico-química. 6. ed Rio de janeiro: LTC, 1999

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