relatório físico química

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Físico Química Experimental – QUI 02370
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
Físico Química Experimental
Relatório nº 4
Sistemas coloidais
Profº: Anderson M. Fuzer
Elaine Pagung
Vitória
2018
PRÁTICA 4
Sistemas Coloidais
Determinação da concentração micelar critica (CMC) via condutividade
1. Introdução
Dispersão coloidal é uma substância dividida em finas partículas insolúveis denominada fase dispersa, ou coloides, usualmente de dimensões entre 1 nm e 1000 nm, em um meio dispersante, ou fase contínua. As partículas presentes num sistema coloidal são grandes o suficiente para permitirem a existência de superfícies de separação definidas entre as partículas e o meio no qual estão dispersas. [1]
Os coloides podem ser liofóbicos, quando há ausência de afinidade entre as partículas e a fase continua, assim temos uma solução termodinamicamente instável devido a elevada energia livre de superfície das partículas dispersas. Após a separação de fase, não podem ser reconstituídos com facilidade, logo constituem sistemas irreversíveis. Como exemplos de coloides liofóbicos, podemos ter os aerossóis, espumas, numerosas emulsões dentre outros. Os coloides liofílicos ocorrem quando há formação pela dispersão espontânea do material seco das partículas coloidais na fase continua. Um sistema liofílico é termodinamicamente mais estável que os sistemas de duas fases formados pela fase continua e pelo material do coloide. O exemplo mais conhecido dos coloides de associação são os surfactantes. [1]
Os surfactantes, também denominados agentes tensoativos, são moléculas que podem associar-se formando uma variedade de possíveis microestruturas que dependem da estrutura molecular, da concentração e da composição do sistema. Em determinada concentração de surfactante, começam a surgir as micelas, que são agregados moleculares anfifílicos, possuindo ambas as regiões estruturais hidrofílica e hidrofóbica, que dinamicamente se associam espontaneamente em solução aquosa a partir de certa concentração crítica (CMC), formando grandes agregados moleculares de dimensões coloidais, chamados micelas. Abaixo da CMC, o tensoativo está predominantemente na forma de monômeros; quando a concentração está abaixo, porém próxima da CMC, existe um equilíbrio dinâmico entre monômeros e micelas (figura 1). [1][2]
Figura 1: formação de agregação micelar.
A CMC determinada de foram experimental é encontrada quando plota-se uma propriedade física adequada como função da concentração do surfactante. Uma variação abrupta da inclinação marca a CMC. Dentre as propriedades físicas que odem ser plotadas em função da concentração do surfactante podemos citar a condutividade, a pressão osmótica, a tensão superficial, dentre outras. Considerando a determinação da condutividade de um eletrólito, o que se mede é o efeito dos íons, excluindo o efeito produzido pelos íons do solvente. Matematicamente, temos [1][3]:
(1)
Onde é a condutividade específica e cE é a respectiva concentração em quantidade de matéria da solução. A equação 1 expressa a determinação da condutância equivalente de uma solução de concentração conhecida, o que implica na medida da sua condutividade. [3] 
Esse experimento tem por objetivo determinar a concentração micelar critica (CMC) via condutividade.
2. Procedimento Experimental
2.1. Calibração do condutivimetro
i. A célula do equipamento foi lavada com água destilada e enxugada com papel absorvente macio, com cuidado para que o papel não atingisse as platinas. O equipamento possui compensação de temperatura;
ii. Mergulhou-se a célula e o sensor de temperatura na solução padrão e aguardou até que a leitura estabilizasse;
iii. Pressionou-se a tecla “cal” (tecla c), após isso, o equipamento solicita a solução tampão da configuração;
iv. Pressiona-se OK para iniciar o processo de calibração. Se algum problema ocorrer com a célula ou com o padrão o equipamento informará e não se calibrará, evitando calibrações erradas;
v. Se o processo tiver acontecido com sucesso, o equipamento volta para o modo de medição;
vi. O procedimento deve ser repetido caso o valor esteja diferente do padrão.
2.2. Determinação da CMC do surfactante (1ª parte)
Determinou-se a massa do surfactante dodecilsulfato de sódio (SDS) para diluir em água destilada e preparar com auxílio de uma balança e balão volumétrico de 50 mL uma solução 80 mmol.L-1. 
Para preparar a água de coleta, precisou-se obter água isenta de CO2. Para isso, uma alíquota de 100 mL de água deionizada foi aquecida até a ebulição com auxílio de chapa aquecedora. Após o resfriamento, utilizando pipeta volumétrica de 50 mL e 10 mL, uma alíquota de 60 mL da água destilada foi coloca em um béquer de 100 mL e sobre um agitador magnético para determinar a condutividade com auxílio de condutivímetro já calibrado.
Após a determinação da condutividade na água de coleta ( isenta de CO2), a titulação com a solução estoque de SDS foi feita utilizando uma bureta, com objetivo de adicionado quantidades de 0,5 mL em 0,5 mL, da solução estoque de SDS em 60 mL de água (água suficiente para cobrir a janela do eletrodo) sob agitação constante. A cada adição, foi aguardado o tempo de cerca de 20 segundos, para registrar o valor da condutividade após estabilização da leitura no equipamento. O volume de solução estoque deve ser adicionado até atingir a concentração final de cerca de 20 mmol.L-1.
2.3. Efeito de aditivos (2ª parte
O procedimento do item 2.2 foi repetido, mas mantendo a concentração de NaCl constante em 20 mmol.L-1, para isso foi preparada uma solução estoque de NaCl 20 mmol.L-1 aquoso e a partir desta, foi prepara a solução de SDS. 
 
3. Resultados e Discussão
A solução de SDS foi preparada com a massa igual a 1,150 g , e obtendo a concentração de 79,76 mmol.L-1. 
O condutivímetro foi calibrado conforme o item 2.1. e as medidas de condutividade específica foram feitas começando pelos 60 mL de água isenta de CO2, que foi utilizada como solvente para a titulação com a solução de SDS, esta apresentou valor de condutividade específica no valor de 51,17 µS.cm-1 . Os volumes do titulante foram adicionados nos 60 mL de água e as concentrações resultantes foram calculadas conforme equação 2. (tabela 1)
Onde são concentração em quantidade de matéria e volumes adicionados. E são concentrações em quantidade de matéria e volumes finais obtidos.
Substituindo, temos
79,76 mmol.L-1x 1 ,0 mL = Cf. 61,0mL
Cf = 1,31 mmol.L-1
 Tabela 1: Determinação da condutividade específica com SDS.
	V(SDS)/(mL)
	k/( µS.cm-1)
	c/(mmol.L-1)
	0
	51,17
	0
	1
	249,5
	1,31
	2
	451
	2,57
	2,5
	554,8
	3,19
	3
	638,9
	3,79
	3,5
	735,3
	4,39
	4
	818,7
	4,98
	4,5
	901,8
	5,56
	5
	980,8
	6,135
	5,5
	1063
	6,69
	6
	1128
	7,25
	6,5
	1274
	7,79
	7
	1329
	8,33
	7,5
	1396
	8,86
	8
	1507
	9,38
	8,5
	1566
	9,89
	9
	1623
	10,40
	9,5
	1681
	10,90
	10
	1736
	11,39
	10,5
	1785
	11,88
Considerando os valores da tabela 1, obtém-se um gráfico (figura 2), que apresenta a condutividade específica versus a concentração molar da solução de SDS.
Figura 2: Concentração específica versos concentração do SDS.
Observa-se no gráfico (figura 2) que a condutividade específica aumenta a cada adição do SDS de forma linear. Ao atingir o valor de 1128 µS.cm-1, observou-se uma mudança na linearidade dos dados obtidos, verificando então uma descontinuidade (figura 2), que apesar de se apresentar de maneira sutil, foi a única descontinuidade observada ao longo dos dados experimentais. O valor da CMC do SDS determinado por condutividade foi obtido pela intercessão de duas retas e o valor da concentração que representa esta intercessão é de 7,79 mmol.L-1, este ponto é considerado a concentração micelar crítica do sistema, já a literatura[4] apresenta o valor igual a 8,1 mmmol.L-1 a 25°C . A diferença entre os valores deve-se ao as condições nas quais os experimento foi executado, como por exemplo o controle de temperatura. O experimentofoi feito a temperatura ambiente de 25°C, entretanto este pode conter erros, assim com a água usada como solvente que passou por processo de ebulição, mas este talvez não tenha sito completamente eficaz.
As duas retas correspondem ao estado de monômero e micela do tensoativo. O ponto de intercepção corresponde ao valor da CMC. Antes da CMC, a variação da condutividade é devida à adição de moléculas do tensoativo à solução. Após a CMC, a variação da condutividade deve-se ao aumento de micelas no meio e a partir da CMC a concentração do monômero permanece constante. [4]
O grau de ionização das micelas (α) foi feito a partir da análise do gráfico (figura 2), e estimou-se o grau de ionização das micelas (α) pela equação (3):
 (3)
Onde e abaixo do CMC equivale ao coeficiente angula que foi obtido a partir das equações de reta.
A equação da reta acima da CMC é y(2) = 114,4x + 397,97, e abaixo é y(1) = 151,99x + 57,16. Com esses valores α é igual a 0,753. 
A solução de SDS com efeito de aditivos foi preparada com massa igual a 1,156 g de SDS e 0,117 g de NaCl , obtendo a concentração de 80,17 mmol.L-1. 
Os resultados obtidos considerando a adição de NaCl foram feitos de maneira análoga a primeira parte do experimento para a solução de SDS sem aditivos, utilizando a equação 3, com a concentração de 80,17 mmol.L-1 , volume inicial de água igual a 60 mL.
Tabela 2: Determinação da condutividade específica com efeito de aditivos.
	V(SDS)/(mL)
	k/( µS.cm-1)
	c/(mmol.L-1)
	0
	51,17
	0
	0,5
	190,1
	0,66
	1
	293,8
	1,31
	1,7
	445,2
	2,19
	2
	519
	2,57
	2,5
	643,9
	3,19
	3
	752,2
	3,79
	3,6
	884,5
	4,51
	4,1
	962,3
	5,10
	4,6
	1058
	5,67
	5,1
	1165
	6,24
	6,1
	1362
	7,36
	7,1
	1521
	8,43
	8,1
	1687
	9,48
	9,1
	1842
	10,50
	10,1
	2019
	11,49
	11,1
	2146
	12,45
	12,1
	2267
	13,38
	13,1
	2413
	14,29
Para mostrar a relação entre a condutividade específica e a concentração em quantidade de matéria, foi feito um gráfico para observar o ponto de descontinuidade de maneira análoga a primeira parte do experimento.
Figura 3:condutividade específica versus concentração do SDS com NaCl
Os dados obtidos na titulação apresentam linearidade ao longo de todos os pontos, o que dificultou a observação da descontinuidade e determinação do CMC nesse caso, assim, foi feito gráfico da condutividade específica versus concentração do SDS com NaCl para verificar o momento em que há alguma mudando nos valores de condutividade específica determinados (figura 3). Foi possível observar uma tendência menos crescente a partir da concentração em quantidade de matéria de 4,5 mmol.L-1. O valor encontrado na literatura[5], que é igual a 3,74mmol -1 , observa-se que os valores estão próximos, estava-se que a descontinuidade se mostrasse de maneira mais acentuada, entretanto o valor obtido está razoável para que as discussões a respeito da presença do NaCl no sistema possam ser feitas. Pois, a presença do NaCl ocasionou uma diminuição nos valores de CMC dos tensoativos iônicos, uma vez que a presença dos eletrólitos ocasiona uma diminuição na dissociação dos tensoativos iônicos, neutralizando parcialmente suas cargas iônicas e diminuído suas interações eletrostáticas repulsivas, ocasionando uma agregação micelar em baixas concentrações. [6] 
O grau de ionização das micelas (α) foi feito a partir da análise do gráfico condutividade específica versus concentração do SDS com NaCl (figura 3), e estimou-se o grau de ionização das micelas (α) pela equação (3):
 (3)
A equação da reta acima da CMC é y(2) = 167,75x + 114,02, e abaixo é y(1) = 181,24x + 57,311. Com esses valores α é igual a 0,925
O valor de para o SDS na solução contendo NaCl foi maior que para o SDS em água à 25°C, indicando um decréscimo de íons Na+ para interagir com as micelas. A investigação da interação do SDS com o sal adicionado pode ser realizadas baseando-se nas propriedades termodinâmicas na formação das micelas. Nos dois casos apresentados, a formação de micelas acima do ponto da CMC é energeticamente favorável, indicando também que a variação de entropia associada à reação de formação micelar é positiva. Sendo assim, a formação de agregados micelares ocorre espontaneamente através do ganho entrópico.[7]
4. Conclusão
Esse experimento permitiu a determinação da concentração micelar crítica (CMC) foi realizada para o agente tensoativo (SDS), em água e em cloreto de sódio 20,0 mmol.L-1.
Para esse sistema, pode-se considerar que o menor valor da CMC pode ser explicado com possíveis interações moleculares entre os íons presentes em solução e o tensoativo. Esse feito reduz o valor da CMC, devido a existência de uma competição entre os íons do sal com a parte polar do surfactante. Com auxílio dos gráficos de condutividade específica versus concentração pôde-se calcular a CMC pelo ponto de descontinuidade de cada gráfico. Foram encontradas dois valores de CMC para o tensoativo aniônico, em solução com água destilada 7,79 mmol.L-1 e em solução salina de cloreto de sódio 4,5 mmol.L-1.
5. Referências Bibliográficas
 [1] MESQUITA, A. F; NASCIMENTO, K. S. Físico-Química Experimental. Vitória: Universidade Federal do Espírito Santo, Núcleo de Educação Aberta e a Distância, 2013.
[2] RIZZATTI, Ivanise Mª; ZANETTE, Dilson R.; MELLO, Ligia C.. Determinação potenciométrica da concentração micelar crítica de surfactantes: uma nova aplicação metodológica no ensino de Química. Quím. Nova, São Paulo, v. 32, n.2,p.518-521,2009.Disponível em: <http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-40422009000200041&lng=en&nrm=iso>
 [3] PILLA, L. Físico-química I – Termodinâmica química e equilíbrio químico. 2ª edição revisada. UFRGS Editora, 2005.
[4] Rezende ,M.O.O; Moraes, S.F. Determinação da Concentração Micelar crítica de ácidos húmicos por medidas de condutividade espectroscopia. Instituto de Química de São Carlos, 2004. Disponível em: <http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-40422004000500004>
[5] SANTOS, F.K.G. et al. Determinação da concentração micelar crítica de tensoativos obtidos a partir de óleos vegetais para uso na recuperação avançada de petróleo. In: P & D PETRO, 4., 2007. Campinas. Anais do 4º P & DPETRO, Campinas: ABPG, 2007.
[6]SILVA, Gustavo Thalmer de Medeiros. Caracterização físico-química de sistemas micelares. 2014. Disponível em: 
<https://repositorio.ufrn.br/jspui/bitstream/123456789/19569/1/GustavoThalmerDeMedeirosSilva_DISSERT.pdf> 
[7] LAYBER, F. J. et al. Determinação das propriedades termodinâmicas de micelização do dodecil sulfato de sódio na presença do composto H 2 NCH 2 CH 2 NH 2. sociedade brasileira de quimica, 2012.
y(1) = 151,99x + 57,16
R² = 0,9982
0	1.3075409836065575	2.5729032258064519	3.1903999999999999	3.7980952380952386	4.3962204724409455	4.9850000000000003	5.5646511627906978	6.1353846153846154	6.6974045801526723	7.2509090909090919	7.7960902255639102	51.17	249.5	451	554.799999999	99995	638.9	735.3	818.7	901.8	980.8	1063	1128	1274	y(2) = 114,4x + 379,97
R² = 0,9963
7.7960902255639102	8.3331343283582093	8.8622222222222238	1274	1329	1396	c/(mmol/L)
condutividade /(µS/cm)
0	0.65917355371900832	1.3075409836065575	2.1976012965964347	2.5729032258064519	3.1903999999999999	51.17	190.1	293.8	445.2	519	643.9	y = 167,75x + 114,02
R² = 0,999
3.1903999999999999	3.7980952380952386	4.514716981132076	5.1016536661466469	5.6795046439628489	6.2484792626728121	7.3606051437216342	8.4395827123695994	643.9	752.2	884.5	962.3	105	8	1165	1362	1521	c/(mmol/L)
condutividade /(µS/cm
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