Relatório de Físico-Químic TENSÃO SUPERFICIAL E CONCENTRAÇÃO MICELAR CRÍTICA

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS
FACULDADE DE FARMÁCIA
TENSÃO SUPERFICIAL E CONCENTRAÇÃOMICELAR
CRÍTICA
Quarto relatório de aula prática da
disciplina de Físico-Química
experimental para o curso de
Farmácia.
Docente:Prof. Dr. Martin Barbosa
Discentes: Alberto Augusto, Márcia
Cassia e Rômulo Margarida.
Goiânia
2024
SUMÁRIO
1.INTRODUÇÃO……………………………………………………………………3
1.1 Tensão superficial…………………………………………………….………..3
1.2 Tensão micelar crítica …………………………………………….…………..3
2.OBJETIVOS……………………………………………………………………….4
2.1 Objetivos gerais (Tensão superficial)…………………………………….….4
2.2 Objetivos específicos ………………………………………………………....4
2.3 Objetivos gerais (Concentração micelar crítica)…………………………....4
2.4 Objetivos específicos……………………………………………………….…4
3.MATERIAIS E MÉTODOS………………………………………………………5
4.RESULTADO E DISCUSSÃO…………………………………………….……..5
4.1 Tensão superficial……………………………………………………….……..5
4.2 Concentração micelar crítica……………………………………………...…8
5.CONCLUSÃO……………………………………………………………………13
5.1 Tensão superficial……………………………………………...…………….13
5.2 Concentração micelar crítica……………………………………………….13
6. REFERÊNCIAS ………………………………………………………………...14
2
1.INTRODUÇÃO
1.1 Tensão superficial
A tensão superficial é um fenômeno físico-químico, no qual, se pode observar
a interface entre um líquido e um gás, ou entre dois líquidos imiscíveis, onde vai ser
descrito a tendência das moléculas na superfície de um líquido se comportarem de
diferentes maneiras das moléculas presentes no interior do líquido, formando uma
“camada” com propriedades diferentes (DICKINSON, 2015; MURPHY, 2020).
Em níveis moleculares, a tensão superficial vai ocorrer pelas forças coesivas
entre as moléculas de um líquido. As moléculas na superfície encontram uma força
resultante das diferentes moléculas internas, devido a não possuírem moléculas do
lado externo para interagir, com isso, resultam em uma força que apresenta a
tendência de minimizar a área superficial do líquido. Essa diferença de força resulta
na formação de uma camada superficial resistente a expansão (MULLER, 2018).
A importância da tensão superficial pode ser encontrada em fenômenos como
a capilaridade, onde pode ocorrer dos líquidos subirem ou descerem em tubos finos
devido a interação entre tensão superficial e as forças adesivas entre o líquido e o
material do tubo (LIMA & NUNES, 2021). É importante ressaltar que a tensão
superficial desempenha um papel importante em processos biológicos e químicos,
desde a formação de membranas celulares até a eficácia de detergentes e agentes
umectantes (Silva et al.,2019).
1.2 Concentração micelar crítica
A tensão micelar crítica vai descrever a concentração mínima de surfactante
necessário para formar micelas em soluções. Esse fenômeno acontece quando a
concentração de surfactantes no sistema atinge um ponto no qual as moléculas
surfactantes começam a se organizar de maneira espontânea em agregados
denominados micelas. Dessa forma, a adição de mais surfactante não tem a
capacidade de aumentar de maneira significativa a formação de micelas, mas pode
influenciar em suas propriedades (KLAUSNER & LAGRESE, 2019).
3
As micelas apresentam uma camada externa hidrofílica e um núcleo
hidrofóbico, o que permite a solubilização de substâncias apolares ( RUSSELL et al,
2018). Esse comportamento é essencial em processos industriais e biológicos para a
formação de detergentes, emulsificação e transporte de moléculas para sistemas
biológicos ( BOWEN, 2020).
A tensão micelar crítica é uma propriedade crítica, no qual define a eficácia
dos surfactantes em processos de limpeza e emulsificação. Quando a concentração de
surfactante ultrapassa a tensão superficial crítica, as micelas se formam de maneira
estável e a solução vai ter atingido a fase de equilíbrio entre o surfactante livre e o
surfactante associado às micelas ( GONZALES & MARTINEZ, 2022). A
determinação da TMC pode ser feita através de métodos experimentais, como a
medição de condutividade elétrica, tensão superficial e espectroscopia de
fluorescência (MORRIS et al., 2021).
2. OBJETIVOS
2.1 Objetivos gerais (Tensão superficial)
● Medir a tensão superficial relativa de líquidos puros e de soluções e verificar
o efeito de algumas substâncias sobre a tensão superficial da água.
2.2 Objetivos específicos
● Medir a tensão superficial de líquidos puros e de soluções, determinando a
tensão superficial de líquidos individuais como, água e de soluções como
álcool etílico, detergente e NaCl.
● Comparar a tensão superficial dos diferentes líquidos e soluções.
● Verificar o efeito de algumas substâncias sobre a tensão superficial da água,
analisando como o álcool etílico, detergente e NaCl influenciam a tensão
superficial da água e sua capacidade de alterar a capacidade da água de
formar gotas e consequentemente a tensão superficial.
2.3 Objetivos gerais (Concentração micelar crítica)
● Determinar a concentração micelar crítica de uma solução de lauril sulfato de
sódio.
2.4 Objetivos específicos
● Medir a condutância de uma solução de lauril sulfato de sódio em diferentes
concentrações.
● Plotar um gráfico de condutância molar versus concentração do tensoativo.
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● Interpretar os resultados para entender o efeito da formação de micelas na
condutância da solução.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Idem à apostila.
4. RESULTADO E DISCUSSÃO
4.1 Tensão superficial
Neste experimento, foi produzido uma prática simples para desenvolver um
assunto amplo. Foram utilizados 8 sistemas de diferentes composições no qual foi
calculado as suas respectivas tensões superficiais em uma temperatura ambiente de
25°C.
Inicialmente, foi contado a quantidade de gotas de água que caíram em 2 mL
(volume este, usado para todos os outros sistemas), para usar como substância padrão
nos cálculos de tensão superficial. Dessa forma, foi obtido um total de 44 gotas
observadas na prática e para os outros grupos 31, 33 e 35; os valores da quantidade
de gotas dos outros discentes são relevantes para este relatório pois os sistemas
formados pela mistura de álcool e água foram divididos entre a turma e foi utilizado
suas medidas para calcular essa etapa. Outro fator importante para o
desenvolvimento da discussão é o valor da tensão superficial da água, para este
relatório foi utilizado essa medida para prosseguir com todos os cálculos e ela
corresponde, na literatura, a cerca de 71,97 mN/m. Assim, foi organizado a
quantidade de gotas de cada sistema (tabela 1) dando continuidade nos cálculos.
Sistemas Quantidade de Gotas Quantidade de gotas da água
1 (90%H₂O / 10%Etanol) 46 33
2 (70%H₂O / 30%Etanol) 91 44
3 (50%H₂O / 50%Etanol) 114 44
4 (30%H₂O / 70% Etanol) 82 35
5 (15%H₂O / 85% Etanol) 79 35
6 Etanol 84 31
5
7 Lauril (0,5%) 86 44
8 Solução NaCl (5%) 30 31
Tabela 1. Quantidade de gotas contadas para cada sistema. Fonte: Autoral, 2024
Uma medida utilizada para calcular a tensão superficial dos sistemas é a
densidade das substâncias. Para a água, etanol, lauril e a solução de cloreto de sódio
(NaCl), as densidades foram fornecidas pelo docente (tabela 2); já para as misturas
entre água e etanol (sistema 1 à 5), foi calculado através da média ponderada
considerando a densidade e proporção de cada substância.
● p= [ (0,995 g/cm³ * 90 mL) + (0,791 g/cm³ * 10 mL)] ÷100∴ p = 0,974
g/cm³
Sistemas Densidade (g/cm³)
* Água 0,995
1 0,974
2 0,933
3 0,893
4 0,852
5 0,821
6 0,791
7 0,994
8 1,031
Tabela 2. Densidade das substâncias. Fonte: Autoral, 2024
A partir das medidas descritas, foram realizados os cálculos e organização a
tensão superficial (γ) dos sistemas (tabela 3) pela relação entre a densidade e número
de gotas observadas entre um sistema e a água pura (A).
6
● γᵦ = 71,97 mN/m÷ [(0,995 g/cm³* 46)÷(0,974 g/cm³* 33)]∴ γᵦ = 50,54
mN/m
Sistemas Tensão superficial (mN/m)
* Água 71,97
1 50,54
2 32,63
3 24,93
4 26,30
5 26,31
6 21,11
7 36,78
8 77,05
Tabela 3. Tensão superficial dos sistemas em nN/m. Fonte: Autoral, 2024
Analisando ossistemas da água pura e etanol, pode ser encontrado uma
grande variação entre as medidas de tensão superficial; essa discrepância se deve
pela diferença entre as estruturas moleculares e forças intermoleculares das
substâncias. A água apresenta um alto valor de tensão superficial (71,97 mN/m)
oriundo da capacidade das moléculas formarem em média até três ligações de
hidrogênio com as outras moléculas de água; essas ligações são interações fortes e
direcionadas, o que cria uma alta força atrativa entre as moléculas. Já o etanol
apresenta uma valor de tensão superficial, na literatura, de aproximadamente 21,97
mN/m à 25°C, essa medida é relativamente próxima da encontrada
experimentalmente (21,11 mN/m); esse baixo valor de tensão comparado à água se
deve, principalmente, pelas interações intermoleculares entre o etanol serem menos
intensas já que a molécula apresenta apenas um grupo hidroxila, logo a força atrativa
no etanol se torna menos eficaz.
Quando é observado os valores da tensão superficial dos sistemas 1 à 5, é
possível notar que ocorre uma diminuição à medida que a proporção de etanol é
aumentada nas misturas. Essa tendência se deve pela atuação do etanol como um
tensoativo, interferindo nas forças coesivas fortes entre as moléculas de água na
7
superfície da mistura e formando ligações de hidrogênio menos eficazes, o que
resulta na diminuição da tensão superficial da mistura.
O laurilsulfato de sódio (lauril) e a solução de cloreto de sódio são compostos
iônicos que afetam diretamente a tensão superficial quando dispostos em uma
solução aquosa. O cloreto de sódio (NaCl) quando dissolvido em água, se dissocia
em íons de sódio (Na⁺) e cloreto (Cl⁻) que se distribuem e interagem com as
moléculas de água através de forças eletrostáticas, os cátions são atraídos pela porção
negativa da molécula de água e os ânions pela porção negativa; essa interação
interfere nas forças intermoleculares e modifica a estrutura da camada superficial,
diminuindo as forças coesivas entre as moléculas de água e, consequentemente,
alterando a tensão superficial. Essa alteração é, dependendo da concentração dos
íons, levemente reducional, porém neste experimento houve uma aumento do valor
da tensão superficial (77,05 mN/m); esse erro na medida deve ter sua origem,
provavelmente, durante a prática, nos cálculos experimentais ou até na calibração e
desempenho dos equipamentos utilizados no laboratório.
Para o sistema do lauril, observa-se uma drástica redução do valor de tensão
superficial quando comparado com a água (de 71 mN/m para 36 mN/m), essa
diminuição ocorre devido ao comportamento da substância como um surfactante. A
molécula do laurilsulfato de sódio é anfifílica, apresentando uma longa cadeia de
carbonos como sendo a porção hidrofóbica e o grupo sulfato como a porção
hidrofílica; essa molécula fica adsorvida na superfície entre a água e o ar
atmosférico, com a cadeia hidrofóbica orientada para fora do líquido e o grupo
hidrofílico em direção à água. Dessa forma, as cadeias de carbono interferem nas
ligações de hidrogênio e interrompem as forças atrativas entre as moléculas de água
na superfície, o que resulta na redução da tensão superficial da solução.
4.2 Concentração micelar crítica
Para determinar a concentração micelar crítica (CMC), realizou-se neste
experimento um teste trabalhando com a condutividade elétrica de cada sistema pela
concentração do tensoativo laurilsulfato de sódio (lauril). Dessa forma, para realizar
o objetivo deste relatório, primeiramente encontrou-se algumas medidas que irão
proporcionar a ilustração gráfica da CMC; dentre elas, estão a condutividade molar e
a raiz quadrada da concentração do surfactante.
8
Foram realizados 20 sistemas com diferentes concentrações de lauril para
determinar a concentração micelar crítica. Inicialmente, começou-se com 160 mL de
água destilada e adicionamos 2 mL do tensoativo a cada etapa do experimento, de
forma que o volume total do sistema atingisse 200 mL. Assim, além dos volumes
deste experimento, mediu-se a condutividade elétrica em cada etapa do sistema e
determinou-se os seguintes dados (tabela 4).
Volume adicionado do
tensoativo (mL)
Volume total
(mL)
Condutividade elétrica
(mS/cm)
2 162 0,083
4 164 0,154
6 166 0,23
8 168 0,288
10 170 0,342
12 172 0,385
14 174 0,434
16 176 0,474
18 178 0,514
20 180 0,548
22 182 0,576
24 184 0,608
26 186 0,632
28 188 0,664
30 190 0,68
32 192 0,708
34 194 0,741
36 196 0,763
38 198 0,786
9
40 200 0,802
Tabela 4. Volumes adicionados e total e condutividade elétrica do experimento. Fonte: Autoral, 2024
A partir dos volumes e da condutividade encontrados, determinou-se a
concentração do surfactante e prosseguiu com o objetivo. Assim, usou-se a
concentração conhecida da solução-estoque de lauril, cerca de 0,08 mol/L, e os
volumes calculados para determinar a concentração do tensoativo.
 
● C ₑ = (0,08 mol/L * 2 mL) ÷ 162 mL ∴ C ₑ = 0,00098765 mol/L
● C¹⁄₂ = √0,00098765 ∴ C¹⁄₂ = 0,031426 mol/L
Além da concentração do tensoativo, prosseguiu-se com a raiz quadrada dessa
medida para facilitar a visualização do dado e sua análise gráfica. Tendo essas
medidas, calculou-se a condutividade molar para cada um dos sistema, utilizando a
condutividade elétrica encontrada e a concentração do tensoativo, a partir da fórmula
abaixo e organizou-se os dados (tabela 5) necessários para a ilustração do gráfico que
apresenta a concentração micelar crítica deste experimento.
● Λ = 0,083 mS/cm ÷ 0,00098765 mol/L ∴ Λ = 84,0375 mS*cm²/mol
Concentração do
tensoativo (mol/L)
Raiz quadrada da
concentração (mol/L)
Condutividade molar
(mS*cm²/mol)
0,00098765 0,031426 84,0375
0,00195121 0,044172 78,925
0,00289156 0,053773 79,54166667
0,0038095 0,061721 75,6
0,00470588 0,068599 72,675
0,00558139 0,074708 68,97916667
10
0,00643678 0,080229 67,425
0,00727272 0,085280 65,175
0,00808988 0,089943 63,53611111
0,00888888 0,094280 61,65
0,00967032 0,098337 59,56363636
0,01043478 0,10215 58,26666667
0,01118279 0,10574 56,51538462
0,0119148 0,10915 55,72857143
0,0126315 0,11239 53,83333333
0,0133333 0,11547 53,1
0,0140206 0,11840 52,85073529
0,0146938 0,12121 51,92638889
0,0153535 0,12390 51,19342105
0,016 0,12649 50,125
Tabela 5. Concentração de condutividade molar dos sistemas. Fonte: Autoral, 2024
Com as medidas da concentração e da condutividade molar, construiu-se a
ilustração gráfica (gráfico 1) deste experimento, determinou-se a concentração
micelar crítica e deu-se continuidade com a discussão sobre as extrações feitas.
Gráfico 1. raiz da concentração x condutividade molar. Fonte: autoral, 2024
Percebe-se que neste gráfico, a linha vermelha representa a região de
11
eletrólito forte - a qual corresponde a faixa onde as moléculas do tensoativo estão
dissociadas na solução, mas não formam micelas - e a linha azul indica a região
micelar - correspondente a faixa onde o surfactante começa a formar micelas após
atingir a concentração micelar crítica -; diante disso, temos que a CMC deste
experimento acontece com a raiz da concentração em torno de 0,0617 mol/L, o que
representa uma concentração de 0,003809 mol/L do laurilsulfato de sódio. Assim,
abaixo dessa concentração, as moléculas do tensoativo estão dissociadas como
monômeros na solução e a partir deste valor as moléculas começam a se agrupar e
formar micelas.
À medida que a concentração do tensoativo aumenta, a condutividade molar
do sistema tende a diminuir. Esse fenômeno acontece pois, em baixa concentrações
as moléculas do surfactante se dissociam em lauril sulfato e íons de sódio que
promovem a condutividade elétrica na solução; no entanto, quando a concentração
atinge a CMC, as moléculas do tensoativo formam micelas com os íons lauril sulfato
e isso acarreta na redução de íons livres no sistema, o que, por conseguinte, diminui a
condutividade molar, já que a contribuição das micelas para a condutividade é baixa.
Para além da determinação da concentraçãomicelar crítica, realizou-se a
regressão linear da região de eletrólito forte e comparou-se com a lei de Kohlrausch
para extrair os parâmetros da constante de Kohlrausch e a condutividade molar em
diluição infinita ou condutividade molar limite. A regressão linear da faixa do
eletrólito foi determinada por um programa computacional e extraiu os seguintes
valores para o coeficiente angular e linear, respectivamente, -247,199 e 91,335.
A partir da fórmula citada, temos que o valor da condutividade molar limite
corresponde a 91,335 mS*cm²/mol, isso significa que se o sistema fosse diluído
consecutivas vezes até atingirmos uma concentração baixa do eletrólito e os íons
estivessem totalmente dissociados sem interagirem, a condutividade molar para essa
solução converge para o valor referido. Já a constante de Kohlrausch condiz com o
valor de 247,119; essa medida está relacionada com a estequiometria do eletrólito e
como os íons interferem entre si e prejudicam a mobilidade.
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5. CONCLUSÃO
5.1 Tensão superficial
Ao longo do experimento é possível perceber como diferentes substâncias
podem influenciar na tensão superficial da água e de soluções. Foi observado que a
água pura possui uma alta tensão superficial devido às suas fortes ligações de
hidrogênio entre as suas moléculas. A adição de etanol na água resulta em uma
diminuição gradual da tensão superficial, dado que o etanol vai atuar como um
tensoativo, que vai reduzir as forças coesivas entre as moléculas de água.
Os resultados experimentais demonstram que o etanol possui uma tensão
superficial significativamente menor que a água (ocorre porque o etanol tem uma
menor capacidade de formar ligações de hidrogênio eficazes). Quando este é
misturado em diferentes proporções com água, ocorre uma redução da tensão
superficial das soluções graças à ação do etanol, demonstrando o seu papel de
influenciar nas interações coesivas da água.
O laurilsulfato de sódio apresentou uma capacidade de reduzir a tensão
superficial da água, devido a sua estrutura anfifílica que interrompe as ligações de
hidrogênio na superfície da água, o que vai diminuir as forças atrativas entre as
moléculas.
Ao analisar o NaCl era esperado que ele promovesse uma redução da tensão
superficial, entretanto, ele apresentou um aumento anômalo na tensão superficial.
Essa reação pode ter ocorrido devido a possíveis erros experimentais (cálculos,
falhas de calibração ou desempenho de equipamentos).
De acordo com os presentes resultados experimentais, é possível concluir que
o etanol, laurilsulfato de sódio e NaCl, tem influência na tensão superficial da água.
O etanol e o Laurilsulfato de sódio podem reduzir a tensão superficial, devido às suas
características tensoativas e estruturas moleculares específicas, enquanto o NaCl,
inesperadamente aumentou a tensão superficial, possivelmente devido a erros
experimentais.
5.2 Concentração micelar crítica
13
A partir do experimento realizado, a determinação da concentração micelar
crítica para o laurilsulfato foi realizada pela intersecção das retas da região de
eletrófilo forte e região micelar. O valor obtido foi cerca de 0,0038 mol/L. Dessa
forma, observa-se que a medida encontrada para a CMC é baixa se comparada com o
valor encontrado na literatura científica, cerca de 0,008 mol/L.
Com os resultados obtidos, percebeu-se que a concentração do laurilsulfato
influencia inversamente na propriedade da condutividade elétrica, à medida que a
concentração aumenta, a condutividade diminui. Esse fenômeno pôde ser explicado
pelas características estruturais da molécula e de suas propriedades químicas. A
molécula de laurilsulfato se dissocia em íons que produzem corrente elétrica; quando
a concentração deste tensoativo aumenta, suas cadeias de lauril sulfato formam
micelas que interferem na quantidade de íons livres e na condutividade do sistema.
Assim, tem-se que a concentração micelar crítica influencia nas propriedades
físico-químicas das soluções e o domínio sobre essa aplicação pode ser crucial para
desenvolver sua aplicação prática em diversas áreas.
6. REFERÊNCIAS
BOWEN, B. Surfactant Science and Technology. 2. ed. Springer, 2020.
DICKINSON, E. Colloidal and Surface Chemistry. Cambridge University Press,
2015.
GONZALEZ, P.; MARTINEZ, L. Micellar Systems and Applications. Journal of
Surfactant and Detergents, v. 25, n. 3, p. 293-305, 2022.
KLAUSNER, M.; LAGRESE, D. Critical Micelle Concentration: Principles and
Practice. Wiley, 2019.
LIMA, A. M.; NUNES, C. F. Capillary Action and Surface Tension. Journal of
Physical Chemistry, v. 125, n. 14, p. 1234-1241, 2021.
MORRIS, T., et al. Methods for Determining Critical Micelle Concentration.
Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, v. 619, p.
91-102, 2021.
MULLER, M. Introduction to Surface Chemistry. Wiley, 2018.
14
MURPHY, K. Surface Tension in Liquids. Annual Review of Physical Chemistry, v.
71, p. 1-20, 2020.
RUSSELL, A., et al. Introduction to Colloid and Surface Chemistry. 3. ed. Oxford
University Press, 2018.
SILVA, J. R., et al. The Role of Surface Tension in Detergent Effectiveness.
Chemical Reviews, v. 119, n. 12, p. 8125-8140, 2019.
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