Experimento 7

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CIÊNCIAS FÍSICAS E MATEMÁTICAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
PROFESSOR NITO ANGELO DEBACHER
FÍSICO-QUÍMICA EXPERIMENTAL
EXPERIMENTO 7: DETERMINAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO MICELAR CRÍTICA
DE UM SURFACTANTE POR MEDIDAS DE TENSÃO SUPERFICIAL
Grupo 2: Amanda Gabriela dos Anjos (20100160), Amanda Valeriano Alencar Silva
(20105190) e Nathálie Thainá Müller Loebens (20100195).
1. Introdução
2. Procedimento experimental
3. Tratamento dos resíduos
4. Tratamento dos dados
5. Questionário
6. Referências
1. Introdução
Moléculas surfactantes ou tensoativas são compostos orgânicos que possuem uma
parte polar e outra apolar. A região polar possui maior afinidade pela água e a
região apolar pelo óleo ou ar. Estas possuem atividades superficiais que resultam na
absorção desses compostos na superfície do líquido ou na interface em soluções
não miscíveis. A tensão superficial realizada pelos surfactantes é um efeito físico
que ocorre na interface de duas fases líquidas. Isso permite que a camada
superficial se comporte como uma barreira elástica em suas extremidades, deste
modo, a força exercida no plano da superfície medida é perpendicular à direção da
força.
Um surfactante tem a capacidade de reduzir a tensão superficial da água, como
consequência ao aumento da concentração na superfície da solução. Geralmente
eletrólitos como NaCl e KCl aumentam a tensão superficial ao comparar com
substâncias orgânicas que diminuem a tensão na água. Um exemplo comum, de
substâncias que reduzem a tensão superficial da água, são os detergentes.
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.
Assim como na indústria farmacêutica, cosmética ou química, esses tensoativos são
utilizados como principais componentes de uma formulação para determinado
destino do produto, como por exemplo a quantidade de tensoativos para formulação
e para material de limpeza será maior ao comparar com limpador de superfície.
Ao formar uma camada denominada de concentração micela crítica, o filme
superficial formado não aceitará moléculas, fazendo com que, ao aumentar a
concentração da solução, a tensão superficial medida permanecerá constante.
Abaixo da concentração micela crítica, a tensão varia linearmente com o aumento
da concentração, logo, acima os monômeros dos surfactantes se organizam com o
intuito de diminuir a energia livre e estruturas conhecidas como micelas. A
determinação da concentração micela crítica é dada pela variação da tensão
superficial ou condutividade elétrica em função da concentração do mesmo.
A relação entre a tensão da superfície e a concentração do surfactante, chama-se
de isoterma de adsorção de Gibbs. Para medir a tensão superficial utiliza-se o
Tensiômetro de DuNouy, instrumento de precisão usado para medidas de tensão
superficial ou interfacial de líquidos.O mesmo consiste de uma balança de torção
que utiliza um fio para a necessária força para remoção do anel de platina a
superfície da amostra analisada. Alguns exemplos são soros, proteínas em
soluções, óleos e cosméticos.
2. Procedimento experimental
2.1 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.
2.2 Meça e anote a temperatura da água a ser usada no preparo das soluções.
2.3. Prepare 50 mL de uma solução 0,10 mol L-1 do SDS da seguinte maneira:
Nota!!! Se esta solução já estiver na bancada, ignore esta etapa e vá para o item
Calcule a massa de surfactante necessária para chegar nesta concentração, com
este volume, usando a equação:
M= m
----
MM. V .
Onde M é a molaridade da solução (em mol L-1), m é a massa do SDS (em g), MM
é a massa molar do SDS (288,38 g mol-1) e V é o volume (em L).
Pese o SDS em um béquer pequeno e adicione água aos poucos até dissolver.
Transfira a mistura para um balão de 50 mL lavando o béquer várias vezes e
colocando a água de rinçagem no balão. Cuidado para não ultrapassar os 50 mL.
2.4. Usando a solução 0,10 mol L-1 como estoque, prepare 50 mL das soluções 1 a
4 da tabela abaixo.
Faça os cálculos usando M1V1 = M2V2, calcule os valores de V1 e complete a
tabela.
M2 = molaridade da solução final; V2 = volume final (50 mL); M1 = molaridade da
solução estoque;
V1 = volume de solução estoque que você precisa transferir para o balão e
completar com água.
2.5. Aplicando o mesmo procedimento do item 3.4, mas usando a solução 1,0x10-3
mol L-1 como estoque prepare 50 mL das soluções 5 a 9 da tabela 1.
Item
2.4
Estoq
ue:
0,10
mol L
-1
Item
2.4
Estoq
ue:
0,10
mol L
-1
Item
2.4
Estoq
ue:
0,10
mol L
-1
Item
2.4
Estoq
ue:
0,10
mol L
-1
Item
2.4
Estoq
ue:
0,10
mol L
-1
Item
2.5
Estoq
ue:
1,0 x
10 -3
mol L
-1
Item
2.5
Estoq
ue:
1,0 x
10 -3
mol L
-1
Item
2.5
Estoq
ue:
1,0 x
10 -3
mol L
-1
Item
2.5
Estoq
ue:
1,0 x
10 -3
mol L
-1
Soluç
ão nº
1 2 3 4 5 6 7 8 9
M2
(mol
L -1)
0,1 5,0x1
0² 1,0x1
0³
5,0x1
0-3
1,0x1
0-3
5,0x1
0-4
1,0x1
0-4
5,0x1
0-5
1,0x1
0-5
V(mL) Estoq
ue
2.6. Medida da tensão superficial
Não use o aparelho antes de receber as instruções, peça ajuda ao professor ou
instrutor!!!
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) Comece determinando a tensão superficial da água pura faça no mínimo quatro
leituras. Se os valores forem muito divergentes, lave o material e recomece. A
tensão superficial da água pura a 20 oC deve ser ~72,0 dina cm-1 ou 72,0 mN m-1
ou 72,0 mJ m-2 .
b) Coloque o líquido (~20 mL) cuja tensão superficial será medida no frasco
apropriado e extremamente limpo.
c) Coloque a escala do medidor na posição zero e com o parafuso (B), Figura 4.
Abaixe a plataforma até sua posição mais baixa. 4
d) Coloque o frasco na plataforma (T, Figura 4). Com o parafuso (B) na sua posição
mais baixa, suspenda a plataforma e o frasco até que o anel toque a superfície do
líquido.
e) Aumente a tensão do fio de torção usando o parafuso (A) até que o ponteiro do
marcador coincida com o zero do espelho. Aumente a torção do fio e
simultaneamente abaixe 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 será necessário fazer correção das medidas.
g) Faça, no mínimo, 3 leituras para cada uma das soluções preparadas.
Determine a tensão superficial também para a solução estoque 0,1 mol L-1 e
para a água pura.
Complete a tabela 2 abaixo com os seus dados. Use as unidades de tensão
superficial (γ) em SI, mJm-2
Soluç
ã
1 2 3 4 5 6 7 8 9 água
mol
(L -1)
1,0 x
10 -1
5,0x1
0-2
1,0x1
0-2
5,0x1
0-3
1,0x1
0-3
5,0x1
0-4
1,0x1
0-4
5,0x1
0-5
1,0x1
0-5
Medi
da γ
Medi
da γ
Medi
da γ
(Médi
a) γ
mJ
m-2
3. Tratamento dos resíduos
As soluções mais concentradas de SDS podem ser guardadas para usar
como detergente e as mais diluídas podem ser descartadas na pia. O
detergente SDS não é tóxico mas em excesso pode causar danos ao meio
ambiente.
4. Tratamento dos dados
4.1. Veja item 2.4 e 2.5 e complete a tabela 1 com os volumes
necessários para preparar as soluções de 1 a 9.
Descreva o procedimento usado para preparar as soluções e explique porque
foram usadas duas soluções estoque de concentração diferente.
4.2. Faça um gráfico de tensão superficial ( = mJ m-2) vs. lnC (C em mol
L-1) (verFigura 3).
Obs: lembre-se que mJ m-2 = dina cm-1 = mN m-1.
C
(mol/
0,10 5,0x1
0-2
1,0x
10-2
5,0 x
10-3
1,0x1
0-3
5,0x1
0-4
1,0x1
0-4
5,0x1
0-5
1,0x1
0-5
L)
ln C -2,30 -3,00 -4,60 -5,30 -6,90 -7,60 -9,20 -9,90 -11,5
1
4.3. 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. Observe a temperatura.
CMC: usa- se o valor encontrado na intersecção das retas traçadas no
gráfico anteriormente produzido, sendo o valor obtido lnC = -4,90.
lnC = -4,9 :. e ^(-4,9) = 0,00744 mol/L --- 7,44nM Aa 295,2K
Ou seja:
CMC lit = 8,1 mM à 298K.
CMC exp = 7,4 mM à 295,2K.
Valor teórico - valor experimental
?
v ------- .100 ?
valor teórico
Er = ?
8,1 -7,4= 0,7/ 8,1= 0,08x100= 8%.
Erro experimental consideravelmente baixo, o motivo podem ser erros no
equipamento, erros operacionais e temperatura diferente do valor encontrado
no CMC da literatura.
4.4. 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).
Use o coeficiente angular, y = ax + b; onde a = y/x = -ΓRT. Use R =
8,314x103 mJ mol-1 K -1 e T = a temperatura (K) obtida
experimentalmente.
Temperatura = 295,2K.
a= ∆y a = 75-35/ (-12) - (-3) = 40 /-9 = -4,44mJ/ m²
------
∆x
Excesso superficial: a = -RT : - 4,44 = t.8,314 . 295,2 = 2,454x10-6 mol/m²
4.5. Calcule a área ocupada por molécula de detergente na superfície da
água. 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 ).
t = 2,454x10^-6 mol/m²
N = 6,02x10^23 molécula/mol
A = 1 1 1
------ = --------------------------------------- = ------------------------- m² / molécula
N. t (6,02x10^23) . (2,454x10^-6) 14,773x10 ^19
A = (1 / 14,7773 x10 ^19) . (1 x 10 ^20) = 1x10^20
------------- = 6,769 x 10 ^8 Aº/ mo
14,773 x 10 ^10
4.6. 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.
O valor está um pouco acima se pensar em ligações C - C, mesmo a
molécula SDS sendo extensa.
4.7. 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.
Sim, há um ponto CMC, apesar de não ter ficado ideal por causa do
espaçamento dos pontos obtidos, mas ficou relativamente certo com o que era
planejado.
5. Questionário
1. Defina tensão superficial e tensão interfacial.
Tensão Superficial é denominada como a força que atua perpendicularmente a uma
linha a o longo da superfície. As moléculas na superfície de um líquido não estão
completamente cercadas por outras moléculas como estão no seio do líquido. Como
consequência, há uma força de atração para dentro exercida pelas moléculas
presentes na solução sobre as moléculas da superfície, o que resulta na tendência
da superfície em se contrair. Tal contração é espontânea, ou seja , é acompanhada
por um decréscimo da energia livre mínima e qualquer tentativa de expandi- la deve
envolver um aumento na e energia livre .
Tensão Interfacial é denominada como a noção de tensão superficial. Aplica-se
também à superfície de separação entre duas substâncias quaisquer, ou seja a
interface entre dois líquidos imiscíveis. Pode ser definida como a força por unidade
de comprimento exercida por uma superfície do líquido, é uma consequência direta
das forças intramoleculares, sendo assim, quanto maior o seu valor, mais imiscíveis
são os fluidos .
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.
Em uma posição na qual o surfactante tende a migrar para a superfície procurando
posicionar-se maneira em que a cauda (hidrofóbica) fique em contato com o ar e a
cabeça (hidrofílica) se volte para a solução, é avaliado que a tensão superficial da
solução diminui com aumento da concentração do surfactante e sendo assim a
energia livre de Gibbs torna-se mais positiva. Já a tensão superficial, há um maior
número de moléculas do surfactante presentes na superfície da água com aumento
da sua concentração, com isso se tem uma diminuição das interações
intermoleculares das moléculas do solvente, isso ocorre porque as de surfactante
estão mais presente entre estas, diminuindo assim também a tensão superficial da
água.
Intencionando agora para energia livre de Gibbs, pode-se analisar que neste caso
as moléculas de surfactantes presentes abaixo da superfície estão envolvidas por
moléculas polares do solvente, sendo assim, as moléculas do surfactante
encontram-se imobilizadas na solução, causando assim uma diminuição da entropia
do sistema. Esta situação se repete quando a análise enfoca as moléculas da
superfície que tendem a se organizar, como já mencionado, diminui também a
entropia em uma análise mais geral, a energia livre de Gibbs torna-se mais positiva.
Como exemplos que aumentam a tensão superficial da água podemos citar em os
eletrólitos fortes como o KCl e NaCl e a glicose. Diminuem a tensão superficial da
água são os detergentes e shampoos.
3. Defina micelas? Procure na literatura modelos de micelas e dê exemplos
das diferentes formas.
Micelas são partículas constituídas pela aglomeração de um número de moléculas
que atinge as dimensões necessárias para constituir um sistema coloidal. A
formação dessas partículas está associada à estrutura molecular tanto do disperso
como do meio de dispersão. Ao menos uma das dimensões dessa partículas
precisa estar no intervalo entre 1 e 100 nm. É comum a existência de micelas
esféricas, com diâmetro em torno de 5nm, embora existam as chamadas micelas
invertidas, a maioria apresenta um aglomerado de partículas com a cadeia
carbônica dirigida para dentro e a parte polar voltada para fora.
As formas de micelas são: Esférica normal; Cilíndrica; Limear e Esférica inversa.
4. Discuta a regra de Traube para os surfactantes. Veja ref. 1.
A regra de Traube é expeça entre a relação do comprimento da cadeia
hidrocarbônica e a atividade de superfície, que estabelece: "em soluções aquosas
diluídas de tensoativos pertencentes a qualquer uma das séries homólogas, a
concentração molar requerida para produzir diminuição equivalentes da tensão
superficial da água diminui cerca de três vezes para cada grupo CH2 adicional na
cadeia hidrocarbônica de soluto". A regra de Traube também é aplicada para tensão
interfacial nas interfaces óleo-gordura.
5. Descreva outros métodos que poderiam ser usados para determinar a
tensão superficial.
A tensão superficial de um líquido pode ser medida por um estalagmômetro de
Traube e está relacionada com a massa de uma gota do líquido, quando cai
livremente da extremidade desse tubo, pela expressão: γ = F.( mg/r); em que γ é a
tensão superficial; m a massa de uma gota; g a aceleração da gravidade; r o raio da
parte final do tubo, de onde se destaca a gota; e F o fator que é função de v/r³ (v=
volume de uma gota).Deste modo, deixa-se escoar um volume fixo de líquido na
forma de gotas, determinando-se o número correspondente. Essa fase experimental
é efetuada com um líquido cuja tensão superficial tenha sido obtida previamente.
Outro método é o da placa de Wilhelmy, 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 γP, é igual à força
que impede a retirada da placa da superfície do líquido, assumindo que o volume da
placa é nulo.
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.
O modelo de Stern sugere que existe uma distância mínima entre a superfície do
colóide e os íons de carga contrária (positivos), no qual o potencial elétrico decresce
linearmente. Quando a partícula coloidal é submetida a uma diferença de potencial,
ela migra para a o pólo de sinal contrário à sua carga primária. Os contra-íons que
se encontram na camada compacta estão fortemente atraídos à partícula e são
capazes de migrarem junto com ela. Mas os que estão na camada difusa, nem
todos possuem esta capacidade.
O plano de cisalhamento, imagina-se um plano no interior da camada difusa que
corresponde ao limite dessa capacidade de acompanhamento da partícula, isto é,
as cargas que estão até este plano são capazes de acompanhar a partícula e as
que estão fora não.
O que pode ser medido é o potencial manifestado no plano de cisalhamento, que é
o chamado potencial zeta, medida do potencial elétrico entre a superfície externa
da camada compacta que se desenvolve ao redor da partícula e o meio.O potencial
máximo de repulsão eletrostática ocorre exatamente na superfície da partícula; é ele
que tem que ser neutralizado para a desestabilização da partícula, de difícil
medição.
7. Como agem os xampus e condicionadores? Que tipo de surfactantes são
usados nestes cosméticos?
Ambos possuem surfactantes, sendo que no xampu são aniônicos e nos
condicionadores são catiônicos. Esse surfactante solubiliza a sujeira e o óleo do
cabelo. Acontece uma repulsão entre as moléculas de surfactantes pois o cabelo
fica carregado eletrostaticamente, no caso dos xampus. Os condicionadores fazem
o cabelo ficar mais oleoso e diminuir a carga, pois quando em contato com o cabelo
acontece neutralização, já que eles empurram o que ainda tiver residual de xampu
no cabelo.
8. Que tipo de resíduo foi gerado neste experimento e como foram tratados ou
armazenados? Explique.
Foi gerado solução aquosa de SDS (surfactante não tóxico/ descartável em pia e
reaproveitável). Soluções mais diluídas foram descartadas na pia e as demais
guardadas em litro para reaproveitamento.
9. Assista aos seguintes vídeos e responda:
https://www.cursinhoparamedicina.com.br/video-aulas/aulas-quimica/tensao-s
uperficial-e-surfactantes/ neste site.
https://www.youtube.com/watch?v=7Jsn_QLew-c
a) Explique porque o clip de papel afundou quando uma gota de detergente foi
adicionada à água.
O clip afundou porque o detergente diminui a pressão superficial e
consequentemente diminui também a força das forças intermoleculares (ligação de
hidrogênio), e o que segurava o clip sem afundar era justamente a alta força
intermolecular e a pressão superficial.
https://www.cursinhoparamedicina.com.br/video-aulas/aulas-quimica/tensao-superficial-e-surfactantes/
https://www.cursinhoparamedicina.com.br/video-aulas/aulas-quimica/tensao-superficial-e-surfactantes/
b) Explique porque gotas de líquidos possui forma esférica.
Gotas possuem formato esférico também por causa da pressão superficial, porque a
atração entre as moléculas da superfície do líquido para o interior diminui ao
máximo a pressão superficial do líquido, e por ser a forma esférica a menor área
superficial possível, a forma da gota é esférica.
c) Explique porque diferentes líquidos puros possuem diferentes valores da
tensão superficial.
Porque quanto maior a força intermolecular, maior a tensão superficial e vice- versa.
A água por exemplo, possui alta tensão superficial pois sua força intermolecular é
ligação de hidrogênio (forte), já a acetona, que possui força intermolecular dipolo-
dipolo (um pouco mais fraca que a ligação de hidrogênio) possui tensão superficial
um pouco menor. Um hexano, por exemplo, possui força intermolecular de London
(ou dipolo induzido) que é a mais fraca das três, e por isso sua tensão superficial
também é menor.
6. Referências.
FLORENCE, A.T.; ATTWOOD, D. Princípios Físico- Químico sem Farmácia,
2ª ed. Editora Pharmabooks, 2011.
http://www.puc-rio.br/pibic/relatorio_resumo2017/relatorios_pdf/ctc/MEC/MEC
-
Pedro%20Henrique%20de%20Lima%20Ripper%20Moreira.pdf
ATKINS, P.W. Físico-química biológicas, Rio de Janeiro : LTC, 2008.
RANGEL, R.R. Práticas de Físico- Química , 3 ª ed. Editora Edgard Blücher.