experimento 9 - determinação da concentração micelar critica de um surfactante por medidas da tensão s uperficial

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Universidade Federal de Santa Catarina
Experimento 9: DETERMINAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO MICELAR CRÍTICA DE UM SURFACTANTE POR MEDIDAS DE TENSÃO SUPERFICIAL
Departamento de Química
QMC 5453 – Laboratório de Físico-Químico Experimental
Professor: Nito Angelo Debacher
Turma: 03102 C
Grupo: Guilherme Nicácio, Isadora Freitas, Elza de Souza.
Florianópolis, 30 de outubro de 2018. 
 
INTRODUÇÃO
As moléculas denominadas tensoativas são formadas a partir de compostos orgânicos anfifílicos, contendo uma parte polar (cabeça hidrofílica) e outra apolar (cauda de hidrocarbonetos hidrofóbica). Os surfactantes são moléculas capazes de reduzir a tensão superficial (y), que é definida como sendo a força exercida no plano da superfície de líquidos, medida perpendicularmente à direção da força. Esse efeito ocorre por conta do aumento da concentração de surfactante na superfície da solução.
Essas moléculas são de extrema importância para a área farmacêutica, uma vez que são fundamentais para a fabricação de emulsões, microesferas, suspensões e aerossóis. 
Por conta da sua estrutura molecular, os surfactantes tendem a migrar para a superfície da solução, de forma com que a parte hidrofóbica fique em contato com o ar, e a parte hidrofílica fique em contato com a água. A partir da regra de Gibbs, se a adição de um soluto a uma solução aquosa diminuir a tensão superficial a superfície limite será mais concentrada no interior da solução, assim a adição de um soluto que aumentará a tensão superficial terá a superfície limite mais diluída do que no interior da solução.
Normalmente o filme superficial formado é homogêneo e não aceita mais nenhuma molécula quando a solução atinge a chamada concentração micelar crítica (CMC). Após a CMC, se aumentarmos a concentração, a tensão superficial permanecerá constante. Acima da CMC, os monômeros do surfactante em solução, se organizam com o objetivo de diminuir a energia livre do sistema, em estruturas chamadas micelas. Nessa estrutura, as regiões apolares se unem no interior e a parte polar fica voltada para o meio aquoso. 
A principal razão para a formação de micelas é a diminuição da área de contato entre as cadeias hidrocarbônicas (cauda apolar) do surfactante e a água (polar), já que são quimicamente incompatíveis.
Nesse experimento, haverá a determinação da tensão superficial de soluções aquosas com diferentes concentrações de dodecil sulfato sódico, que é o composto principal utilizado na produção de detergentes.
A CMC de um surfactante é uma propriedade física importante e pode ser determinada pela variação de propriedades físicas, tais como a tensão superficial, entre outras, em função da concentração do surfactante. 
A determinação da concentração micelar crítica pode ser determinada pela variação da tensão superficial ou condutividade elétrica em função da concentração do mesmo. Chama-se de isoterma de adsorção de Gibbs a relação entre a tensão da superfície e a concentração do surfactante. 
 Procedimento Experimental para Determinar CMC: 
 É a menor concentração onde ocorre a formação de micelas de um surfactante. O aumento da concentração de surfactante após este ponto tem pouco efeito na tensão superficial da solução na qual o surfactante está presente. A concentração onde inicia o processo de formação das micelas(micelização) é chamada de concentração crítica micelar, CMC, que é uma propriedade intrínseca e característica do surfactante. 
 A adsorção do surfactante na superfície (interface líquido/ar) depende da concentração do mesmo na solução. Em baixas concentrações, as moléculas do surfactante se distribuem na superfície, ficando paralelamente orientadas. Com o aumento da concentração de surfactante, diminui a área disponível em relação ao número de moléculas e,conseqüentemente,tem início uma ligeira ordenação das mesmas em relação à superfície. A orientação vai depender da natureza da superfície se hidrofílica ou hidrofóbica. Em alta concentração há formação de uma camada unidirecional; esta concentração é conhecida como concentração micelar crítica (CMC) (PORTER, 1994). 
 A relação entre a tensão superficial e a concentração de um surfactante é chamada de isoterma de adsorção de Gibbs, onde γ é a tensão superficial, Γé o excesso de concentração na superfície, R é a constante universal dos gases (8,314 J mol-¹K-¹ ou 8,314 x 10³ mJm-²), T é a temperatura em Kelvin, em que o experimento foi feito e lnC é o 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 = 6,02 x 10²³), como mostrado na equação: 
 =1/NT = Å2/molécula-1
 
Equipamento para a Medida de Tensão Superficial - (Tensiômetro de Du Nouy): 
É um instrumento de precisão usado para medidas de tensão superficial ou interfacial de líquidos como soros, óleos, cosméticos, detergentes, suspensões coloidais, proteínas em solução, etc. Os valores medidos são reprodutíveis dentro de aproximadamente 0,05 dina cm-¹ (unidade de força por unidade de comprimento no sistema cgs equivalente a mNm-¹ ou mJm-² no sistema internacional) e podem ser obtidos pela leitura direta na escala do aparelho. Para medidas mais precisas é necessário fazer certas correções nas medidas. 
 O tensiômetro consiste basicamente de uma balança de torção que usa um fio para aplicar a força necessária para remover um anel de platina da superfície do líquido a ser testado. O anel é facilmente removido para a limpeza e deve ser guardado numa embalagem especial sempre que não estiver em uso, pois qualquer descuido poderá inútiliza-lo. 
 
OBJETIVOS
Determinar a concentração micelar e a tensão superficial de uma solução de surfactante em meio aquoso.
MATERIAIS E MÉTODOS 
Materiais Utilizados: 
1) Tensiômetro de Du Nouy; 
2) Frascos lavadores; 
3) 1 frasco para medida da tensão superficial; 
4) 8 balões volumétrico de 50 mL;
5) 1 béquer de 50 mL; 
6) Termômetro. 
 
Reagentes Utilizados: 
1) Dodecil sulfato de sódio (SDS);
2) Água destilada. 
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Mediu-se a temperatura da água utilizada no experimento com a ajuda de um termômetro.A solução de dodecil sulfato de sódio (SDS) 0,1 M já estava pronta em nossa bancada, e a utilizamos para fazer as diluições das soluções de 1 a 4 (50,0 mL). Para fazer as soluções em questão, foi aplicada a equação:
	M1.V1 = M2.V2 
de forma que M1 é a concentração molar da solução inicial de SDS, M2 é a concentração desejada após a diluição e V2 sendo o volume de 50 mL dos balões volumétricos. Calculamos o V1, que seria a quantidade de SDS a ser despejada em cada balão para a diluição.
	Solução
	1
	2
	3
	4
	M2 (mol/L)
	 5 x 10-2
	1 x 10-2
	5 x 10-3
	1 x 10-3
	V1 (mL)
	25
	5
	2,5
	0,5 
Após serem feitas estas quatro soluções iniciais, foi utilizada a Solução 4, de concentração 1 x 10-3 M, para fazer as soluções de 5 a 9 (50,0 mL). Novamente os cálculos foram feitos com base na equação M1.V1 = M2.V2, porém neste caso o M1 é a concentração da Sol. 4 e o V1 seria a quantidade a ser retirada da mesma.
	Solução
	5
	6
	7
	8
	M2 (mol/L)
	5 x 10-4
	1 x 10-4
	5 x 10-5
	1 x 10-5
	V1 (mL)
	25
	5
	2,5
	0,5
 Feito isto, para determinação da tensão superficial foi utilizado o tensiômetro de Du Nouy, o mesmo foi limpo antes de começar as medidas para garantir resultados verdadeiros. A primeira medida foi realizada utilizando-se água pura. A água foi colocada no frasco para medida da tensão superficial, pôs-se escala do medidor na posição zero, abaixou-se a plataforma até sua posição mais baixa, colocou-se o frasco na plataforma e suspendeu-se a plataforma e o frasco até que o anel tocasse a superfície do líquido. Aumentou-se a tensão do fio de torção até que o ponteiro do marcador coincidisse com o zero do espelho. Aumentou-se a torção do fio e simultaneamente abaixou-sea plataforma, fazendo com que o ponteiro sempre coincidisse com o zero do espelho até que o anel se desprenda da superfície do líquido. Anotou-se o valor lido na escala no ponto de desprendimento para posterior utilização no relatório. Foram medidas então as 9 soluções, da mais diluída para a mais concentrada, de forma a evitar contaminações. Cada solução teve sua tensão superficial medida 3 vezes, e uma média foi feita.
Tabela 1- Valores de concentração e medidas da tensão superficial das soluções preparadas
	Solução
	Solução pura
	1 
	2
	3
	4
	5
	6
	7
	8
	Água
	M (mol/L)
	
	
	
	5,0x10-3
	1,0x10-³
	5,0x10-4
	1,0x10-4
	
	
	-
	Medida (y)
	30,0
	33,8
	31,4
	32,5
	43,0
	51,6
	66,2
	68,7
	75,7
	77,3
	Medida (y)
	29,7
	30,0
	32,0
	32,4
	40,0
	49,7
	66,6
	70,1
	74,1
	78,5
	Medida (y)
	30,1
	31,4
	31,7
	32,7
	44,8
	48,0
	67,6
	71,1
	75,0
	77,0
	Média (y)
	29,9
	31,7
	31,7
	32,5
	42,6
	49,8
	66,8
	70,0
	74,9
	77,6
RESULTADOS E DISCUSSÕES
1) Faça um gráfico de tensão superficial ( = mJm-2) vs. lnC (C em mol/L-1) (ver Figura 3). Obs: lembre que mJm-2 = dinacm-1 = mNm-1. 
 ANEXO
2) Determine o valor da concentração micelar critica, 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. 
 O valor encontrado foi de e o encontrado na literatura foi de ; o erro experimental foi de 18,02%. O CMC é o valor que define a quantidade por volume para que haja mistura total, sem excesso na superfície.
.
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 mJmol-1K-1 e T = a temperatura (K) obtida experimentalmente. 
 
- 7,5
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 (m2molécula-1) e converta o resultado em Å2/molécula, (1m = 1010Å e 1m2 = 1020Å2). 
 
x = 
5) o valor da área ocupada por molécula encontrado 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. 
NaC12H25SO4= Fórmula SDS Número de carbonos= 12
 /12= 1,51x10-20(1,51Å, quando convertido)
O valor encontrado é próximo do encontrado na literatura.
 
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 Fig. 3. Esta resposta pode usar como base a ref. 1 pg 288. 
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 resulta é praticamente nula. Já uma molécula na superfície do líquido recebe as 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 
	Tensão interfacial refere-se a mistura que tiveram duas ou mais fases. A explicação teórica é a mesma da tensão superficial, no entanto ao invés da superfície da mistura, essa tensão ocorre na zona onde os dois líquidos diferentes se encontra e como eles são diferentes as forças intermoleculares entre ambos não se anulam, acarretando em resultantes diferentes de zero. 
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.
	Segundo a regra de Gibbs, se adição de um soluto a uma solução aquosa aumentar a tensão superficial, a superfície limite será mais diluída do que o interior da solução. E se a adição de um soluto a uma solução aquosa baixar a tensão superficial da solução, a concentração deste na superfície limite será maior do que no seu interior. Na prática geralmente eletrólitos fortes como KCl, NaCl aumentam a tensão superficial e eletrólitos fracos, ou substâncias orgânicas diminuem a tensão superficial da água. Um exemplo clássico de substâncias que reduzem a tensão superficial da água são os surfactantes: detergentes e sabões.
3. Defina micelas? Procure na literatura modelos de micelas e dê exemplos das diferentes formas.
	
Micelas são estruturas globulares formadas por um agregado de moléculas anfipáticas, compostos que possuem características polares e apolares simultaneamente, dispersos em um líquido constituindo uma das fases de um colóide.
4. Discuta a regra de Traube para os surfactantes. Veja ref. 1.
	O efeito da cadeia hidrocarbônica dentro de uma série homóloga de tensoativos iônicos observado no processo de adsorção para uma dada superfície sólida indica que estes materiais seguem a regra de Traube. Isto quer dizer que muitas das características de uma substância, incluindo a tensão superficial e a adsorção, variam regularmente com o peso molecular das espécies, assumindo a ausência de outras formas de interação.
	A inclusão dos tensoativos à regra de Traube tem sido assunto de muitos estudos. Tem-se verificado que a adsorção de fato aumenta com o aumento do peso molecular da porção hidrofóbica da molécula tensoativa. Quanto mais longa é a cadeia do tensoativo, em uma dada série homóloga, maior é a quantidade de tensoativo adsorvido e menor a concentração total na qual a saturação ocorre. Verifica-se também que a CMC da mesma série diminui de uma maneira similar. Uma vez que a saturação da adsorção frequentemente coincide com o início da formação de micelas, é inferido que os dois fenômenos são relacionados. 
5. Descreva outros métodos que poderiam ser usados para determinar a tensão superficial.
	Um outro método que poderia ser utilizado é o método da placa de Wilhelmy, o mesmo princípio do medito de Lê Comte DuNouy, onde a força que impede o desprendimento da superfície do líquido de uma lamínula, de vidro ou de mica, é dado pelo produto: Da tensão superficial (Y) e do perímetro da placa(P).
A força que atua sobre o sistema de torção, quando a placa está suspensa no ar (Far) somada a yP, é igual à força que impede a retirada da placa da superfície do líquido, assumindo que o volume da placa é nulo.
 
 	F= Far + yP
 	Y= F – Far / P
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.
 No modelo de Stern, a dupla camada elétrica se divide em duas partes bem distintas, separadas pelo plano de Stern, que se localiza a uma distância da superfície igual ao raio de íons hidratados. Neste modelo está prevista a adsorção específica de íons, além da adsorção puramente eletrostática.
 Plano de cisalhamento: é o plano ao longo do qual acontece o cisalhamento do material;
 Potencial zera: é a medida do potencial elétrico entre a superfície externa da camada compacta que se desenvolve ao redor da partícula e o meio líquido em que ela está inserida.
 Eletroforese: é quando a influência de um campo elétrico espacialmente uniforme provoca a movimentação de partículas carregadas (juntamente com os íons adsorvidos na camada de Stern) em relação a um líquido estacionário.
7. Como agem os xampus e condicionadores? Que tipo de surfactantes são usados nestes cosméticos?
 Os xampus têm em sua composição surfactantes aniônicospara 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, componentes 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 condicionadores 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 do xampu.
 Devido a essa ação, é recomendável usar a combinação de ambos para não deixar o cabelo carregado eletrostaticamente. 
8. Que tipo de resíduo foi gerado neste experimento e como foram tratados ou armazenados? Explique.
	As soluções foram descartadas na pia como orientado pelo professor, pois não geram problemas químicos ou contaminação, uma vez que se tratavam de soluções de água e dodecil sulfato de sódio (SDS).
9.Assista ao vídeo neste site (https://www.youtube.com/watch?v=A01MTHLpw3Q) e responda:
a) Explique porque a agulha afundou quando uma gota de detergente foi adicionada à água.
Antes da adição do detergente, as moléculas de água formavam as ligações de hidrogênio entre si. Essa característica cria uma espécie de camada que une as moléculas de água numa longa “manta”, a tensão superficial, que permite que a agulha flutue. No momento de adição do detergente, a tensão superficial da solução diminuiu(criam-se bolhas), o suficiente para formar mais uma membrana acima da água, fazendo a agulha afundar 
b) Explique porque os corantes se espalharam quando uma gota de detergente foi adicionada ao leite.
Este efeito ocorre porque o detergente emulsifica o leite e os corantes. Por ser um agente tensoativo - que “quebra” a tensão superficial - o detergente impede a dissolução do corante no leite, formando micelas. 
CONCLUSÃO
Com este experimento o nosso grupo foi capaz de ampliar o conhecimento sobre a tensão superficial( muito empregada na indústria farmacêutica) e o surfactante, substância capaz de reduzir a tensão superficial da água, e sua estrutura, Além de compreender o funcionamento do tensiômetro de Du Nouy, aparelho utilizado para medir tanto a tensão superficial da água juntamente com o Dodecil sulfato de sódio (SDS), quanto a concentração micelar crítica (CMC), momento no qual o filme superficial formado é homogêneo e a solução não aceita mais nenhuma molécula, que neste caso teve valor de e erro experimental de 18,02%.
Foi encontrado um erro experimental de valor significante da concentração micelar crítica, que pode ter sido gerado pelo mau funcionamento do tensiômetro.
Bibliografia
Florence, A.T. Princípios Físico-químicos em Farmácia. 3ª ed. M&F São Paulo, USP, 2003.· RIZZATI, Ivanise Maria; Determinação potenciométrica da concentração micelar crítica de surfactantes: uma nova aplicação metodológica no ensino de Química; Quím. Nova vol.32 no.2 São Paulo 2009.