FQE Exp 9

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CIÊNCIAS FÍSICAS E MATEMÁTICAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
GRADUAÇÃO EM FARMÁCIA
PROFESSOR: NITO ANGELO DEBACHER
FÍSICO-QUÍMICA EXPERIMENTAL: EXPERIMENTO 9 - DETERMINAÇÃO DA
CONCENTRAÇÃO MICELAR CRÍTICA DE UM SURFACTANTE POR MEDIDAS DE
TENSÃO SUPERFICIAL
ALICE SEIDLER
HELENA EMERICK
ISABELA LEITE
SAMUEL NASCIMENTO
VITÓRIA MENDES
WILLIAM TAVARES
Florianópolis, SC
2022
1. INTRODUÇÃO
A tensão superficial (γ) é a força exercida no plano da superfície de líquidos
medida de forma perpendicular à direção da força, sendo força por unidade de
comprimento, ou seja, dina cm-1 na unidade Centímetro-Grama-Segundo (CGS) ou
mN m-1 (mili Newton por metro) no Sistema Internacional de medidas - SI. Portanto,
1 dina cm-1 equivale a 1 mN m-1, bem como 1 dina cm−1 equivale a 1 erg cm−2 e 1
mN m-1 equivale a 1 mJ m-2.
Um surfactante é definido como uma substância capaz de reduzir a tensão
superficial (γ) da água, apresentam uma região hidrofóbica e uma hidrofílica, sendo
assim, em meio aquoso os tendem a migrar para a superfície procurando se
posicionar de um modo que a calda fique em contato com o ar e a cabeça se volte
para a solução, sendo o arranjo com menor Energia Livre de Gibbs do sistema e
formando um filme superficial. Variam a sua classificação de acordo com as
características da região hidrofílica, podendo ser catiônicos, aniônicos, anfóteros e
não iônicos.
Essa camada formada, possui um limite da quantidade de moléculas
chamado de concentração micelar crítica (CMC) que, mesmo após o aumento da
concentração após a CMC, a tensão superficial permanecerá constante, de modo
que as moléculas tentam diminuir a energia livre do sistema, formando micelas.
Abaixo da CMC, a tensão superficial varia linearmente com o aumento da
concentração. Desvios da linearidade são observados em concentrações muito
baixas ou acima da CMC.
A CMC pode ser determinada pela variação de propriedades físicas, como
tensão superficial e condutividade elétrica em função da concentração do
surfactante, sendo essa relação chamada Isoterma de Adsorção de Gibbs:
γ = −ΓRTlnC equação 1
onde:
γ: tensão superficial,
Γ: excesso de concentração na superfície,
R: constante universal dos gases (8,314 J mol-1 K-1 ou 8,314x103 mJ m-2),
T: temperatura em Kelvin, em que o experimento foi feito
lnC: logaritmo natural da concentração.
Para obter a área ocupada por molécula na superfície da solução basta
relacionar a área (A) com o número de Avogadro (N = 6,02x1023), como mostrado
na Equação 2:
A = 1/NΓ,
A = Å2 molécula-1 equação 2
2. OBJETIVOS
Determinar a tensão superficial e a concentração micelar crítica de soluções
de surfactantes (detergentes) em meio aquoso.
3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
3.1 Material necessário
● Reagentes: Dodecil sulfato de sódio (SDS) ou Lauril sulfato de sódio;
água deionizada.
● Equipamentos: Tensiômetro de Du Nouy; balança e termômetro.
● Vidrarias: 1 béquer de 50 mL; 9 balões volumétricos de 50 mL; frasco
para medida da tensão superficial; frascos lavadores.
● Outros: papel para pesagem; espátula.
3.2. Temperatura da água: 25℃
3.3. Prepare 50 mL de uma solução 0,10 mol L-1 do SDS da seguinte
maneira: solução já estava pronta na bancada.
3.4. Usando a solução 0,10 mol L-1 como estoque, preparou-se 50 mL das
soluções 1 a 5 da tabela abaixo. Foram feitos os cálculos usando M1V1 = M2V2,
calculou-se os valores de V1 e se completou a tabela.
Sendo: M2 a molaridade da solução final; V2o volume final (50 mL); M1 a
molaridade da solução estoque e V1o volume de solução estoque que se precisou
transferir para o balão e completar com água.
3.5. Aplicou-se o mesmo procedimento do item 3.4, mas usando a solução
1,0x10-3 mol L-1 como estoque, preparou-se 50 mL das soluções 6 a 9 da tabela.
Item 3.4: Estoque: 0,10 mol L-1 Item 3.5: Estoque: 1,0 x10-3 mol L-1
sol. № 1 2 3 4 5 6 7 8 9
M2
(mol L-1)
0,1 5,0x10-2 1,0x10-2 5,0x10-3 1,0x10-3 5,0x10-4 1,0x10-4 5,0x10-5 1,0x10-5
V1
(mL)
50 25 5 2,5 0,5 25 5 2,5 0,5
3.6. Medida da tensão superficial
Limpeza do material. A tensão superficial é extremamente sensível à
presença de impurezas, por isso a limpeza dos frascos é de máxima
importância. Iniciar as medidas pela solução mais diluída evita
contaminações.
a) Começou-se determinando a tensão superficial da água pura, realizando,
no mínimo, quatro leituras. Quando apresentado valores muito divergentes,
lavou-se o material e o processo foi recomeçado. A tensão superficial da
água pura a 20℃ deve ser ~72,0 dina cm-1 ou 72,0 mN m-1 ou 72,0 mJ m-2.
b) Colou-se o líquido (~20 mL) cuja tensão superficial será medida no frasco
apropriado e extremamente limpo.
c) Colocou-se a escala do medidor na posição zero e, com o parafuso (B),
abaixou-se a plataforma até sua posição mais baixa.
d) Colocou-se o frasco na plataforma (T). Com o parafuso (B) na sua posição
mais baixa, suspendeu-se a plataforma e o frasco até que o anel tocasse a
superfície do líquido.
e) Aumentou-se a tensão do fio de torção usando o parafuso (A) até que o
ponteiro do marcador coincidisse com o zero do espelho. Aumentou-se a
torção do fio e simultaneamente foi abaixada a plataforma, mantendo o
ponteiro sempre coincidindo com o zero do espelho até que o anel se
desprenda da superfície do líquido.
f) O valor lido na escala no ponto de desprendimento é a força exercida pela
superfície do líquido sobre o anel, ou seja, a tensão superficial aparente. Para
este trabalho, não foi necessário fazer correção das medidas.
g) Foram feitas, no mínimo, 3 leituras para cada uma das soluções
preparadas. Determinou-se a tensão superficial também para a solução
estoque 0,1 mol L-1 e para a água pura.
Solução 1 2 3 4 5 6 7 8 9 água
(mol L-1) 0,1 5,0x10-2 1,0x10-2 5,0x10-3 1,0x10-3 5,0x10-4 1,0x10-4 5,0x10-5 1,0x10-5 -
Medida γ 35 34,5 32 31 35,5 41 56 66 75 78
Medida γ 35 35 31 31 37 41 57 67 76 78
Medida γ 34,5 35 32 30 40 42 57 66 76 78
Média γ
mJ m-2
34,8 34,8 31,7 30,7 37,5 41,3 56,7 66,3 75,7 78
4. TRATAMENTO DE RESÍDUOS
As soluções de SDS foram guardadas para usar como reagente no próprio
laboratório. O detergente SDS não é tóxico mas em excesso pode causar danos ao
meio ambiente.
5. TRATAMENTO DE DADOS
5.1. Faça um gráfico de tensão superficial ( = mJ m-2) vs. lnC (C em mol L-1)
(ver Figura 3). Obs: lembre que mJ m-2 = dina cm-1 = mN m-1.
Em anexo.
5.2. Determine o valor da concentração micelar crítica, CMC (ver Figura 3).
Procure na literatura o valor da CMC para o SDS e compare com o valor obtido
experimentalmente. Calcule o erro experimental e discuta sobre a divergência
do valor encontrado.
CMCGRÁFICO: lnC = -6.13
𝑒−6,13 = 2, 176. 10−3𝑚𝑜𝑙/𝐿
CMCLITERATURA: a 25°C8, 2. 10
−3𝑚𝑜𝑙/𝐿
Cálculo do erro experimental:
E% = - / x 100 = 73,46%2, 176. 10−3 8, 2. 10−3 8, 2. 10−3
Pode-se observar um erro experimental muito alto. Este fator pode estar relacionado
com a mudança de temperatura, erros sistemáticos ou contaminação na amostra
utilizada para o experimento.
5.3. Resolva a equação 1 e obtenha o valor do excesso superficial ( ) de
surfactante na monocamada adsorvida na superfície da água. Para obter ,
determine o coeficiente angular, da porção linear do gráfico (imediatamente
antes da descontinuidade). (Ver Figura 3, Equação 1). A partir do coeficiente
angular, y = ax + b; a = y/x = -ΓRT. Use R = 8,314x103 mJ mol-1 K -1 e T = a
temperatura (K) obtida experimentalmente.
y=ax+b a = − Γ𝑅𝑇
-7,84 = . 8,314.1 mJ/ . 298,15γ = − Γ𝑅𝑇. 𝑙𝑛𝐶 − Γ 023 𝑚2
-7,84 = . 2.478.819,1− Γ
= 3,163.Γ 10−6 𝑚𝑜𝑙 𝑚−2 
5.4. Calcule a área ocupada por molécula. Use a Equação 2, A=1/N para
encontrar o valor da área ocupada do surfactante na superfície em (m2
molécula-1) e converta o resultado em Å2 molécula-1, Veja apêndice 1. (1m =
1010 Å e 1m2 = 1020 Å 2 ).
A=1/N.Γ
A=1/ 6,02. . 3,163.1023 10−6
A= 5,25.10−19 𝑚2/𝑚𝑜𝑙
Para a conversão:
5,25. —---------- x10−19 𝑚2/𝑚𝑜𝑙
1 —-----------𝑚2 1020
x = 52,4 𝐴2/𝑚𝑜𝑙
5.5. O valor da área ocupada por molécula encontrada é adequado ou é um
valor absurdo.Reflita a respeito e comente sobre o valor encontrado,
lembrando que o comprimento da ligação entre carbono-carbono para um
hidrocarboneto de cadeia linear é de aproximadamente 1,4 Å.
Segundo os dados obtidos experimentalmente, o valor encontrado da área ocupada
por molécula foi de 52,4 . O SDS é um composto de 12 carbonos, sua cadeia𝐴2/𝑚𝑜𝑙
carbônica linear ocupa cerca de 15,4 Å, no entanto a molécula é um pouco maior
devido ao grupo fosfato ligado a ela, que interage com o íon sódio. Além disso,
quando o filme superficial está completo, as moléculas estão próximas e há uma
repulsão que influencia na área. O próprio movimento incessante das moléculas
interagindo com as moléculas do solvente faz com que a área ocupada em 𝐴2/𝑚𝑜𝑙
seja 3,5x maior que o tamanho da molécula, sendo assim, o valor não é
considerado um valor elevado, podendo ser considerado um resultada adequado
para a área ocupada devido às características do SDS, fazendo com que a repulsão
entre as moléculas gere um aumento de volume e por consequência um aumento
da área ocupada.
5.6. Observe o perfil do gráfico experimental que obteve para o SDS de vs lnC
veja se houve um mínimo próximo ao valor da CMC, ver Figura 3. Para esta
resposta pode usar como base a ref. 1 pg 288.
Analisando o gráfico experimental foi possível se observar um mínimo próximo ao
valor da concentração micelar crítica (CMC), isto ocorre normalmente quando o
surfactante acaba se encontrado contaminado com alguma impureza, gerando
assim este mínimo próximo ao valor da CMC no gráfico. Desta forma, pode ser
sugerido que ocorra uma dessorção em concentrações próximas a CMC , ocorrendo
então a liberação das impurezas do surfactante durante a quebra das micelas nas
quais se encontravam solubilizadas.
6. QUESTIONÁRIO
1. Defina tensão superficial e tensão interfacial.
A tensão superficial é a energia necessária para que seja possível aumentar a área
de uma superfície. Sendo essa energia medida por unidade de área, é formada
devido a atração das moléculas de um líquido não ser anulada na superfície, por
não haver forças de mesma intensidade agindo em sentidos opostos. Nas
moléculas superficiais, não há moléculas localizadas acima dela, somente abaixo,
logo, há presença de atração intermolecular apenas no sentido de puxar a molécula
da superfície para baixo. Resultando na conformação de menor área superficial
possível para o líquido, na tentativa de minimizar ao máximo a energia potencial. E
com isso, o trabalho requerido para aumentar uma unidade dessa área superficial é
denominado tensão superficial.
A tensão interfacial é capaz de quantificar quanto duas substâncias são imiscíveis
entre si, a partir da tensão que ocorre entre ambas, na região de interface. As forças
de adesão entre moléculas semelhantes não são anuladas na interface das fases,
uma vez que a atração intermolecular é diferente na interface pelas mesmas razões
da criação da tensão superficial (ausência de forças de mesma intensidade e
direção oposta). O desequilíbrio de forças faz com que a interface atue como uma
camada elástica, fazendo com que as duas substâncias não se misturem. Porém, se
as forças que agem nas moléculas superficiais das duas substância forem
semelhantes, significa que os líquidos são miscíveis.
2. Comente a regra de Gibbs para a tensão superficial. Dê 2 exemplos de
substâncias que aumentem a tensão superficial e duas substâncias que
diminuem a tensão superficial da água.
No interior, ou na superfície, o surfactante tem potenciais químicos característicos.O
potencial químico é a Energia Livre de Gibbs associada à adição de uma molécula
em uma determinada fase. Portanto, se há um ganho de energia livre associado à
migração de uma molécula do interior do líquido para sua superfície, o trabalho
necessário para aumentar essa mesma superfície deve ser diminuído pela mesma
quantidade. Desta forma, existe uma associação direta entre a tensão superficial de
um líquido na presença de um surfactante e a diferença de potencial químico do
surfactante na superfície relativamente ao meio da solução. Não havendo variação
de pressão ou temperatura, a variação da energia livre corresponde à variação dos
potenciais químicos. Sendo que eletrólitos fortes, como NaCl, HCl e HI, tendem a
aumentar a tensão superficial, enquanto eletrólitos fracos, como o ácido acético e
hidróxido de magnésio, diminuem.
3. Defina micelas? Procure na literatura modelos de micelas e dê exemplos
das diferentes formas.
Micelas são compostos anfipáticos, ou seja, possuem regiões polares e regiões
apolares. Quando se dilui micelas em meio aquoso, a região hidrofílica polar tende a
interagir positivamente com as moléculas de água que tende a dissolver estes
compostos, já a região hidrofóbica, não-polar, tende a evitar o contato com a água,
fazendo com que essas regiões apolares se unam. Como a formação nos ácidos
graxos livres e monoglicerídeos produzidos pela digestão humana que formam
complexos micelares, ao seres emulsificados por sais biliares, o que facilitam a
passagem dos lipídeos através do ambiente aquoso do lúmen intestinal para borda
em escova. Podemos citar o modelo de Hartley, de Stigter, de Grueen, entre outros.
4. Discuta a regra de Traube para os surfactantes. Veja ref. 1.
A regra de Traube diz: “Numa solução diluída de surfactante, quanto maior a cadeia
carbônica maior a atividade tensoativa, numa série homóloga de reagentes”. Então
o comprimento da cadeia hidrocarbônica e a atividade de superfície são
expressadas conforme a regra, já a concentração molar é requerida para produzir
diminuição equivalente da tensão superficial, com isso a tensão da água diminui
para cada grupo de CH2 adicionado na cadeia hidrocarbônica de soluto. Também é
possível aplicar a regra de Traube em tensão interfacial em interfaces de
óleo-gordura.
5. Descreva outros métodos que poderiam ser usados para determinar a
tensão superficial.
Método da placa de Wilhelmy: Método que segue a lógica similar ao anel de Du
Nouy, no entanto, a emersão não se prolonga até o momento do rompimento, sendo
cessada quando o ângulo de contato da placa com a superfície ou interface se
aproxima a 0.
A força medida pelo equipamento apresenta um comportamento mais dinâmico do
que o anel de Du Nouy, uma vez que o anel apenas mede a força máxima do ângulo
de contato 0, enquanto que a placa, permanecendo em contato com o fluido, obtém
a média de variação das forças aplicadas na sua geometria ao longo do tempo.
Esse princípio é de suma importância para avaliar a influência de surfactantes na
interface, uma vez que, a mesma, está em constante alteração devido ao
movimento do surfactante dentro e fora da interface.
Adaptando a equação (1) para a geometria da placa, a tensão superficial pode ser
medida da seguinte forma:
σ = 𝐹2𝐿
O mesmo procedimento de calibração do tensiômetro é utilizado para que seja
desconsiderado o peso da placa quando a mesma se encontra na posição de
equilíbrio com a interface, de acordo com a figura acima. Para se estabelecer uma
voltagem de referência, associada a uma carga de 4,905mN, distribuída por duas
vezes o comprimento L da placa, escreve-se:
σ
𝑟𝑒𝑓
= 
𝐹
𝑟𝑒𝑓
2𝐿
σ
𝑟𝑒𝑓
= 
𝑚
𝑟𝑒𝑓
2𝐿 =
0.004905
2(0.0201) = 0. 122015𝑁/𝑚 
Com a máquina regulada para ler uma voltagem de 0.122 Volts quando a placa
estiver submetida a uma carga de 4,905nM, e aplicando-se a equação (4), têm-se
em n=mN/m:
σ
𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜
= 𝑉
𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜
 𝑥 
σ
𝑟𝑒𝑓
𝑉
𝑟𝑒𝑓
( ) = 𝑉𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑥 0.1220150.122( ) 𝑥 = 𝑉𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑥 1000 
6. Descreva o que ocorre com a distribuição de íons em interfaces carregadas,
segundo o modelo de Stern. Defina Plano de Cisalhamento, Eletroforese e
Potencial zeta.
Stern introduziu um método de correção no modelo de Gouy-Chapman,
considerando o tamanho finito dos íons, ou seja, eles não podem se aproximar da
superfície além de uma certa distância (alguns nanômetros). Nessa teoria,
assume-se que existem duas camadas: uma camada mais próxima da superfície
(s1),chamada de camada Stern, representada pelos íons adsorvidos, e a outra
camada é composta por outros íons, formando uma camada de difusão (s2 ). O
potencial zeta pode ser descrito como o potencial no plano de cisalhamento
hidrodinâmico entre as partículas no fluxo e no solvente. É determinado por medidas
eletrocinéticas, experimentos, nos quais se mede a relação entre a corrente ou
tensão e o fluxo relativo da fase na dispersão ou suspensão coloidal. O potencial
elétrico é determinado pelo potencial elétrico na superfície da partícula e pela dupla
camada elétrica formada pelos contra-íons e íons que formam a camada Stern, os
contra-íons firmemente conectados à superfície da partícula e a camada de difusão
parcial. A distribuição dos íons na camada de difusão depende da concentração do
eletrólito, das cargas formais dos íons e do solvente, portanto o potencial é atribuído
ao efeito das partículas e do solvente inserido nas partículas.
7. Como agem os xampus e condicionadores? Que tipo de surfactantes são
usados nestes cosméticos?
O xampu é um surfactante aniônico que se liga à gordura que se encontra nos fios
do cabelo, formando uma emulsão que é removida pela água no banho. Porém, por
serem aniônicos, deixam o cabelo com uma carga negativa e aspecto seco. Os
condicionadores, por sua vez, são surfactantes catiônicos que neutralizam as
cargas negativas dos xampus, em sua maioria, são sais de amônio quaternário, que
tem uma forte afinidade com a queratina do cabelo deixando-o com aspecto mais
sedoso e macio.
8. Que tipo de resíduo foi gerado neste experimento e como foram tratados ou
armazenados? Explique.
O SDS em soluções mais concentradas pode ser guardado para utilizá-lo como
detergente ou para outros alunos trabalharem, visto que não é tóxico, no entanto em
excesso ele pode sim causar danos ambientais. Já as soluções mais diluídas
podem ser descartadas na pia.
9. Assista ao vídeo neste site
(https://www.youtube.com/watch?v=A01MTHLpw3Q) e responda:
a) Explique porque a agulha afunda quando uma gota de detergente é
adicionada à água.
Todos os líquidos apresentam tensão superficial, alguns uma tensão mais
forte e outros mais fracas a força resultante na superfície dos líquidos é
diferente de zero. É um fenômeno que ocorre na camada superficial de um
líquido levando ao comportamento de um filme ou membrana elástica, isso é
uma consequência das forças intermoleculares. A adição de surfactante,
como o detergente, acaba afetando a tensão superficial do líquido.
b) Explique porque os corantes se espalharam quando uma gota de
detergente foi adicionada ao leite.
Quando adicionado o detergente, ele age rompendo a tensão superficial do
leite, permitindo que se misture.
7. CONCLUSÃO
O experimento conclui-se permitindo o compreendimento da determinação da
concentração micelar crítica de surfactante. Onde só pode ser determinado através
do equipamento chamado Tensiômetro de Du Nouy, que nos auxilia na
apresentação de medida de tensão superficial.
Observamos, a partir de cálculos e da representação gráfica, a concentração
necessária de surfactante para o início da formação de micelas e que o surfactante
diminui a tensão superficial da água, apresenta: L (lnC = -6,13)2, 176. 10−3𝑚𝑜𝑙/𝐿
diferente aos resultados experimentais da literatura, podendo ser problemas
técnicos a realização do experimento e referentes a temperatura.
Além disso, foi calculado o erro experimental de 73,46%, o que consta a concluir
que pode ter havido mudança de temperatura, erros sistemáticos e aleatórios, bem
como a presença de impurezas.
https://www.youtube.com/watch?v=A01MTHLpw3Q)
8. REFERÊNCIAS
Florence, A.T, Attwood, D., Princípios Físico-Químicos em Farmácia, São Paulo,
USP, 2003, Pg 286.
Paulo A. Netz, George G. Ortega. Fundamentos de Físico-Química. Uma
abordagem conceitual para as ciências farmacêuticas, Artmed, 2002.
Debacher, N.A., Humeres, E e Gonzales, G. Química dos Coloides; Princípios
Básicos e Aplicações. Departamento de Química, UFSC, 1999.
Shaw, D.J., Introdução à Química de Coloides e Superfícies, Edgar Blücher, trad.
Juergen H. Maar, 4th Edition, 1992.
Shoemaker, D,P. Garland, C.W. & Nibler, J.W., Experiments in physical chemistry,
5th Edition, McGraw-Hill, 1989.
Chang, R., Physical chemistry with applications to biological systems, MacMillan,
N.Y., 2nd Edition, 1982.