DETERMINAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO MICELAR CRÍTICA DE UM SURFACTANTE POR MEDIDAS DE TENSÃO SUPERFICIAL E POR CONDUTIVIDADE

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA 
 
FÍSICO QUÍMICA EXPERIMENTAL 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
DETERMINAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO MICELAR CRÍTICA DE UM 
SURFACTANTE POR MEDIDAS DE TENSÃO SUPERFICIAL E POR CONDUTIVIDADE 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Florianópolis - SC 
 
Novembro, 2019 
1. INTRODUÇÃO 
 
Um surfactante é definido como uma molécula capaz de reduzir a tensão superficial (γ) de soluções aquosas. Tem como característica o comportamento anfifílico, ou seja, podem interagir com substâncias polares e apolares. Isso ocorre pois apresentam uma região hidrofóbica que interage com substâncias apolares, e outra hidrofílica que interage com substâncias polares (classificando os surfactantes em catiônicos, aniônicos, anfóteros, e não iônicos). Ele tende a se acumular na superfície da solução, de tal forma que a cauda (hidrofóbica) fique em contato com o ar e a cabeça (hidrofílica) em contato com a solução. Nessa posição o sistema fica com a menor energia livre (energia de Gibbs). A tensão superficial da solução diminui com o aumento da concentração de surfactante. 
Geralmente o filme superficial formado é homogêneo e não aceita mais nenhuma molécula quando a solução atinge a concentração micelar crítica (CMC). Com aumentos de concentração, a tensão superficial permanecerá constante. Desvios de linearidade são observados com concentrações baixas ou acima da CMC. 
Os surfactantes podem ser de origem sintéticas ou naturais. Na indústria de alimentos são bastante utilizados os biossurfactantes, uma classe natural. Esses agentes tensoativos são utilizados como emulsionantes no processo de matérias-primas, panificação e produtos derivados de carne, e também bioemulsificante em molhos prontos e salada. 
 
2. OBJETIVO 
 
O objetivo desse experimento é observar o comportamento do surfactante (SDS) em meio aquoso e determinar sua concentração micelar crítica. 
 
3. DESENVOLVIMENTO 
 
3.1. Determinação da CMC 
 
A CMC é uma propriedade física do surfactante e pode ser determinada pela variação da tensão superficial, condutividade elétrica, etc, em função da concentração do mesmo. No gráfico, onde ocorre a descontinuidade, obtemos o valor da CMC. 
A equação mostra a relação entre a tensão superficial e a concentração de um surfactante, chamada de isoterma de adsorção de Gibbs: 
 
	 𝛄 = - Γ​ RT ln C​	 
 
 
Onde, 𝛄 é a tensão superficial, Γ​ é o excesso de concentração na superfície, R é a constante universal dos gases, T é a temperatura absoluta e C é a concentração. 
Nesse experimento será utilizado o surfactante dodecil sulfato de sódio 
(SDS), com a estrutura abaixo. 	 
 
 
3.2. Equipamento para medida da tensão superficial (Tensiômetro de Du Nouy) 
O tensiômetro é um instrumento com precisão usado para medidas de tensão superficial ou interfacial de líquidos. Os valores são obtidos em leitura direta no aparelho, com a unidade em dina cm-1. 
 
4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 
 
4.1. Material Utilizado 
 
Reagentes: Dodecil sulfato de sódio (SDS); água deionizada.​	 
Vidraria: béquer de 50 ml; 9 balões volumétricos de 50 ml; frasco para medida da tensão superficial; frascos lavadores. 
Outros: papel para pesagem; espátula;​	 
Equipamentos: Tensiômetro de Du Nouy; balança.​	 
 
4.2. Preparou-se​ as soluções 1 a 4 de 50 ml a partir do estoque de concentração 0,10 mol L-1: 
 
Fazendo os cálculos usando M1V1 = M2V2. 
M2 = molaridade da solução final; 
V2 = volume final (50 mL); 
M1 = molaridade da solução estoque; 
V1 = volume de solução estoque necessário. 
 
4.3. Aplicando​ o mesmo procedimento, mas usando a concentração de 1,0x10-3 mol L-1 como estoque, preparou-se as soluções 5 a 8. Tabela 1 em anexo. 
 
	4.4. Medida da tensão superficial​	 
 
Inicialmente o material foi limpado, para não ocorrer contaminações, bem como alterações nos resultados. 
 
1 - Começou-se determinando a tensão superficial da água pura, fazendo três leituras. 
 
2 - Foi feita a medição da solução mais diluída para a mais concentrada. 
 
3 - Feito 2 leituras para cada uma das soluções preparadas.. 
 
4 - Após as leituras da tensão superficial, mediu-se também os valores de condutividade para cada uma das solução, em um condutivímetro. 
 
5. TRATAMENTO DOS DADOS 
 
	5.1. Tabela 2 em anexo.​	 
 
	5.2. Gráfico 1 em anexo.​	 
 
a) lnC = -11,8 mol cm^-3 
ℇ^-11,8 = CMC = 7,50x10^-6 mol cm-3. 
 
b) Encontrado a partir da equação da reta, o coeficiente angular da porção linear do gráfico, parte antes da descontinuidade, é igual a -4,9309. 
A temperatura durante o experimento era de aproximadamente 21ºC. 
Δy/Δx = - Γ R T 
Γ = - [(Δy/Δx) * 10−3 ] / RT 
Γ = - (- 4,9803 * 10−3 ) / 8,314 * 294 
Γ = 2,03 x10−6 mol/m2 (excesso superficial de surfactante). 
 
c) Gráfico 2 em anexo. 
Conforme o encontro das duas reta, CMC = 7,5x10^-3 mol L-1. 
 
d) Os valores obtidos foram muito parecidos, podendo-se dizer que foram iguais. A unidade usada para a concentração nos dois gráficos foi divergente, deixando os valores com potências diferentes, mas no final resultando em um mesmo número. 
O valor teórico da CMC do dodecil sulfato de sódio, usado neste experimento, é de 8,1mM, ou seja, 8,1x10^-3 mol L-1. 
Chegou-se a um valor muito próximo do esperado, com um erro de 7%. 
 
e) ⍵ = 1/NΓ 
⍵ = 1/(6,02 x 10^23 molécula/mol * 2,03 x10−6 mol/m2 ) ⍵ = 8,18 x 10^-19 m2 / molécula. 
Como 1m2 = 10^20 Å^2 
⍵ = 81,8 Å^2 / molécula. 
Podemos ver, a partir deste resultado, que a área ocupada por molécula na superfície da solução é pequena, devido a tensão superficial. 
 
 
6. QUESTIONÁRIO 
 
 	 
6.1. Tensão​ superficial é um​ efeito físico que ocorre na interface entre duas fases químicas. Ela faz com que a camada superficial de um líquido se comporte como uma membrana elástica. É causada pelas forças de coesão entre moléculas semelhantes, cuja resultante vetorial é diferente na interface. Já a tensão interfacial acontece quando temos superfícies de separação entre duas substâncias quaisquer, como água e óleo. Ela pode ser negativa, ao contrário da tensão superficial, e neste caso a energia potencial de coesão diminui à medida que a área da interface aumenta, e este aumento se produz espontaneamente por ser a adesão entre as moléculas mais intensa do que a coesão entre elas. 
6.2. Segundo​ Gibbs, as moléculas que baixam a tensão superficial concentram-se à superfície e as que a elevam afastam-se da superfície. Os exemplos de substâncias que diminuem a tensão superficial da água são: detergentes e shampoos. Exemplos que aumentam a tensão superficial da água: eletrólitos fortes (KCl e NaCl) e glicose. 
6.3. Eles​ são constituídos por longas cadeias carbônicas (hidrofóbica​ s)​ com um grupo hidrofílic​ o em uma de suas extremidades, o que permite ao surfactante interagir tanto com substâncias polare​ s quanto com as apolare​ s.​ São classificados em os​ catiônicos, aniônicos e os não-iônicos. Os mais comuns são os aniônicos que apresentam sulfato na estrutura, como o lauri​ l sulfato de sódio e lauril sulfato de amônio. Alguns exemplos de surfactantes são: o sabão obtido através da saponificação e os sais halogenados quaternários de amônio presentes em condicionadores e soluções antimicrobianas. 
6.4. É uma estrutura globular formada por um agregado de molécula​ s anfipáticas,​ ou seja, compostos que possuem características polares e apolares simultaneamente. São geralmente globulares, mas podem ser elipsóide​ s,​ cilíndricas e em camadas. O formato e o tamanho depende da geometri​ a molecular dos surfactantes e condições da solução.​	 
6.5. A parte hidrofóbica da molécula interage com a sujeira e a gordura, e a parte polar com a água, formando uma micela esférica, onde a sujeira se concentra no interior e forças eletrostáticas mantém a água na parte externa, assim quando enxaguamos o cabelo a micela é arrastada levando a sujeira embora. 
6.6. Método​ da ação capilar: Encha​ um recipiente com um líquido de tensão superficial desconhecida.​ Coloque aproximadamente dois a três centímetros do líquido em um prato raso ou uma tigela. Bote um tubofino e transparente dentro do líquido.​ Ele será usado para tirar as medidas no cálculo da tensão superficial, e deve ainda ter o mesmo rai​ o ao longo de sua extensão.​ Para​ medir o raio, coloque uma régua sobre a abertura do tubo e determine o diâmetro. Divida esse valor por dois e terá o valor do raio. Meça a altura à qual o líquido se eleva no recipiente.​ Coloque a base de uma régua diretamente sobre o líquido no prato e meça até onde ele subiu dentro do tubo. Insira os valores medidos na equação: S = ρga/2, e resolva. 
6.7. A superfície da interface possui carga elétrica líquida predominantemente negativa. Íons de carga positiva, que estão normalmente dissociados na solução do solo, tendem a permanecer na vizinhança desta superfície, atraídos que são pelo campo elétrico formado. As forças de difusão tendem a trazer estes cátions de volta à solução em equilíbrio, onde sua concentração é menor. Com a ação concomitante destas duas forças opostas, uma distribuição espacial de cátions em uma "camada difusa" é estabelecida, na qual a concentração deles aumenta em direção à superfície, partindo de um valor igual àquele na solução para um valor maior, determinado, principalmente, pela magnitude da carga superficial. De acordo com Stern os íons não poderiam se aproximar da superfície além de uma certa distância, alguns poucos nanômetros. Assume-se que existem duas camadas: uma mais próxima à superfície, chamada de camada de Stern, representada pelos íons adsorvidos, e outra composta pelos outros íons, formando uma camada difusa . A parte da dupla camada entre o plano no qual a superfície do colóide está localizada e o plano de Stern, que passa pelos contra-íons, é considerada um condensador molecular, no qual o potencial decresce linearmente com a distância da superfície da partícula. 
 Plano zeta é a​ diferença de potencial entre o meio de dispersão e a camada estacionária de fluido ligada à partícula dispersa. É causado pela carga elétrica líquida contida na região delimitada pelo plano de deslizamento e também depende da localização desse plano. Ele também é um indicador de estabilidade das dispersões coloidais. 
6.8. Como​ exemplos de biossurfactantes na área de alimentos, temos a manoproteína produzida por Saccharomyces​ cerevisiae​, a qual pode estabilizar emulsões água/óleo para produção de maionese, biscoitos, bolos, produtos cárneos (salsichas) e sorvetes. Outro exemplo são os Ramnolipídeos,​ produzidos por Pseudomonas aeruginosa e que são amplamente utilizados em processos de fermentação. 
6.9. Os​ resíduos gerados foram as soluções de SDS, em que as mais concentradas foram guardadas para usar como detergente e as mais diluídas descartadas na pia. 
 
7. CONCLUSÃO 
 
A partir dos resultados alcançados, pode-se concluir que o experimento funciona de forma muito correta, pois os valores encontrados chegaram muito próximos dos valores teóricos. O erro obtido pode ser causado por equívocos na leitura da tensão superficial e também nas soluções (espuma, por exemplo). Saber determinar a concentração micelar crítica tem uma importância grande dentro da​ engenharia, o que mostra ser necessário ter este conhecimento. 
 
 
8. BIBLIOGRAFIA 
 
BARROS, Fábio. DE QUADROS, Cedenir. JÚNIOR, Mário. PASTORE, Gláucia. SURFACTINA: PROPRIEDADES QUÍMICAS, TECNOLÓGICAS E FUNCIONAIS 
PARA APLICAÇÕES EM ALIMENTOS. Disponível em: http://www.scielo.br/pdf/%0D/qn/v30n2/30.pdf.​ Acesso em: 25 Nov, 2019. 
 
MORAES, Solange. REZENDE, Maria. DETERMINAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO MICELAR CRÍTICA DE ÁCIDOS HÚMICOS POR MEDIDAS DE CONDUTIVIDADE 
E 	ESPECTROSCOPIA. 	Disponível 	em: 
http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-40422004000500004.​ Acesso em: 25 Nov, 2019. 
 
RIZZATTI, Ivanise. ZANETTE, Dilson. MELLO, Ligia. DETERMINAÇÃO POTENCIOMÉTRICA DA CONCENTRAÇÃO MICELAR CRÍTICA DE SURFACTANTES: UMA NOVA APLICAÇÃO METODOLÓGICA NO ENSINO DE 
QUÍMICA. 	Disponível 	em: 
http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-40422009000200041# fig05.​ Acesso em: 25 Nov, 2019.