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Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP Instituto de Química – IQ

QF952A – 2s/2009

Determinação da Tensão Superficial e CMC (SDS)

Rodrigo Steter Rocco RA017300 Flávia da Silva Nascimento RA032861 Flávio Araújo de Freitas RA032880

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1- Introdução

A tensão superficial exerce um papel importantíssimo na físico-química das superfícies, é definida como o trabalho necessário para aumentar a superfície em uma unidade de área, por um processo isotérmico e reversível. dw= - dA A existência de forças de atração van der Waals de curto alcance entre as moléculas, responsáveis pela existência do estado líquido, é um fato bastante conhecido. Os fenômenos da tensão superficial e tensão interfacial são explicáveis em termos dessas forças. As moléculas situadas no interior de um líquido são, em média, sujeitas a forças de atração iguais em todas as direções, ao passo que as moléculas situadas, por exemplo, numa superfície de separação líquido-ar estão submetidas a forças de atração não balanceadas ou não equilibradas, do que resulta uma força em direção ao interior do líquido. O maior número possível de moléculas se deslocará da superfície para o interior do líquido; a superfície tenderá, por isso, a contrair-se espontaneamente. Isso também explica por que gotículas de um líquido ou bolhas de um gás tendem a adquirir forma esférica.[1]

As moléculas ou íons de surfatantes tendem a se aglomerar em micelas, grupos de moléculas de tamanho coloidal. As caudas hidrofóbicas tendem a se reunir umas às outras enquanto as cabeças hidrofílicas proporcionam película externa protetora. As micelas só se formam acima de uma concentração micelar crítica (cmc), concentração acima da qual a formação de micelas se torna apreciável, é percebida pela descontinuidade pronunciada nas propriedades físicas da e acima da temperatura de Kraft. A cmc é percebida pela descontinuidade pronunciada nas propriedades físicas da solução, tais como condutância molar, pressão osmótica e tensão superficial. A formação de micelas em sistemas aquosos é comumente endotérmica. Como se formam micelas acima da cmc, a variação de entropia de formação deve então ser positiva. Essa variação positiva, embora as moléculas se agrupem organizadamente, mostra que deve haver uma contribuição à entropia proveniente do solvente e que as moléculas do solvente devem ter muito mais liberdade de movimento uma vez que se tenham agrupado as do soluto em pequenos aglomerados. Esta interpretação é razoável, pois cada molécula do soluto fica encerrada numa gaiola de moléculas de solvente. Uma vê formada a micela, as moléculas de solvente formam apenas uma única gaiola. A elevação de energia quando os grupos hidrofóbicos se aglomeram e reduzem as respectivas demandas estruturais sobre o solvente é a origem da interação hidrofóbica, que tende a estabilizar o agrupamento dos grupos hidrofóbicos nas macromoléculas biológicas. A interação hidrofóbica é exemplo de processo de ordenação que é estabilizado pela tendência da maior desordem do solvente.

As micelas são importantes nos processos industriais e nos biológicos graças a função solubilizadora que podem exercer. É possível o transporte de materiais pala água depois de dissolvidos no interior hidrocarbônico das micelas. Por isso, os sistemas micelares são aproveitados como detergentes e portadores de medicamentos, nas sínteses orgânicas, na flotação por espuma e na recuperação de petróleo.[2]

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2- Objetivo

Determinar a tensão superficial da água, de soluções de NaCl e de soluções de

surfactantes em diferentes concentrações, através do método do anel

Determinar a concentração micelar crítica (c.m.c) dos surfactantes através da análise da

variação da tensão superficial

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3- Materiais e Métodos

Reagentes:

Solução estoque de SDS ou CTAB 0,2 mol.L-1

;

Água destilada;

Solução estoque de NaCl 10% v/v;

Materiais:

11 Balões volumétricos de 50 mL;

10 tubos de ensaio de 10 mL;

1 pipeta automática de 1,0 mL ;

1 Proveta de 50 mL;

1 Pipeta de Pasteur;

1 Cuba de vidro para uso no tensiómetro;

1 béquer de 100 mL;

1 Anel de platina-irídio para as medidas de tensão superficial;

1 Suporte para tubos de ensaios;

1 Termômetro;

1 Tensiômetro (Fisher – Modelo 20).

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Procedimento:

Operação do Tensiômetro de anel

A) Procedimento de zeragem do instrumento com água

1) Lave a cuba de vidro e a proveta e os tubos de ensaio com água de torneira, etanol, água de torneira novamente e água destilada. Não use detergente nestas vidrarias! Enxugue a vidraria apenas por fora com papel absorvente.

2) Transfira 15 mL de água destilada para a cuba de vidro e meça a temperatura da água. Anote os valores médios da circunferência e da relação R/r do anel a ser utilizado;

3) Nivele o tensiômetro na bancada, usando o nível de bolha na base do instrumento (A) e os botões giratórios dos pés do instrumento (B).

4) Levante o suporte da amostra girando o botão horizontal que se encontra na sua base (C). Nunca a gire este botão até o máximo e evite forçar este parafuso porque a base pode se separar, danificando o aparelho e ejetando o anel até o teto!

5) Com o aparelho TRAVADO (alavanca (D) para CIMA) coloque o recipiente com os 15 mL de água destilada no suporte da amostra (E).

6) A seguir, encaixe cuidadosamente o gancho do anel no gancho do braço da balança (F) segurando-o pela haste vertical e evitando que o anel toque o fundo do recipiente.

7) Destrave o sistema (alavanca para BAIXO).

8) Abaixe o anel até que ele mergulhe na água, girando a manivela (G) no sentido horário. Suspenda o anel girando a manivela no sentido anti-horário, até que ele fique cerca de 2 mm abaixo da superfície.

9) Ajuste a altura do suporte da amostra de modo que o ponteiro horizontal e a sua imagem, estejam exatamente alinhados com a marca de referência no espelho (H). O anel deve permanecer mergulhado no líquido durante este ajuste.

10) Acerte o zero na escala circular frontal, usando o botão abaixo da escala (I). (USE ESSE MESMO ZERO EM TODAS AS MEDIDAS).

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B) Procedimento para medida da tensão superficial da água e das soluções

11) Mantendo a mesma cuba de água usada na zeragem sobre o suporte de amostra, gire agora a manivela do lado direito (G) para levantar o anel. Simultaneamente, abaixe o suporte da amostra, lentamente, de modo que o ponteiro horizontal e a sua imagem, estejam exatamente alinhados com a marca de referência no espelho. A superfície do líquido ficará distendida, mas o ponteiro deve permanecer sobre a marca de referência. Continue a efetuar os dois ajustes simultaneamente, até que o filme distendido se rompa e o anel se destaque da superfície do líquido. Neste momento, pare de girar a manivela. A leitura da escala neste ponto é a Tensão Superficial Aparente (P) na escala de dinas/cm. Faça todas as medidas em triplicatas. Caso a diferença entre as triplicatas ultrapasse 5 dinas/cm, uma quarta medida deve ser realizada.

12) Retorne a manivela do lado direito (G) até a posição do zero inicial.

13) Trave o sistema. Retire cuidadosamente o anel. Retire a cuba de vidro e levante o suporte de amostra.

14) Substitua a água por 15 mL de solução de NaCl 2,5%.

15) Destrave o sistema (alavanca para BAIXO).

16) Abaixe o anel até que ele mergulhe na água, girando a manivela (G) no sentido horário. Suspenda o anel girando a manivela no sentido anti-horário, até que ele atinja a superfície da solução. Simultaneamente, abaixe o suporte da amostra, lentamente, de modo que o ponteiro horizontal e a sua imagem, estejam exatamente alinhados com a marca de referência no espelho. A superfície do líquido ficará distendida, mas o ponteiro deve permanecer sobre a marca de referência. Continue a efetuar os dois ajustes simultaneamente, até que o filme distendido se rompa e o anel se destaque da superfície do líquido e meça o valor da Tensão Superficial Aparente (P).

17) Repita os itens 14-16, substituindo a solução de NaCl 2,5% por uma solução de NaCl 5% e depois por uma de 10% e, em seguida, pelas soluções de surfactantes, seguindo a ordem crescente das concentrações. As soluções de surfactantes devem ser preparadas de acordo com as instruções abaixo:

A partir da solução estoque de SDS ou de CTAB 0,2 mol.L-1

, prepare 10 soluções de acordo com a

tabela abaixo:

Surfactante Concentração (mmol L

-1

)

SDS 1 2 3 4 5 6 8 10 12 14

CTAB 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 2 3 4 5

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4- Resultados e Discussão

Resultados do nosso grupo (SDS)

Diluições do surfactante

Diluições SDS Vi (μL) Ci (mol/L) Vf (mL) Cf (mmol/L)

1 250 0,2 50 1

2 500 0,2 50 2

3 750 0,2 50 3

4 1000 0,2 50 4

5 1250 0,2 50 5

6 1500 0,2 50 6

7 2000 0,2 50 8

8 2500 0,2 50 10

9 3000 0,2 50 12

10 3500 0,2 50 14

Figura 1. Grafico: Medidas de tensão superficial da água e das soluções de NaCl na forma de um gráfico de barras Como era de se esperar, diferentemente dos surfactantes, a adição de compostos tensoiônicos,

como NaCl, aumentam a tensão superficial da água.

Devido a adição do NaCl, ocorre a solvatação dos íons pela água. As moléculas de água passam

nesta nova condição a interagirem com os íons , estas interações são mais fortes que as pontes de

hidrogênio . As forças de coesão entre as moléculas então aumentam, exigindo maior trabalho

para deslocar as moléculas da superfície ocasionando o aumento da tensão superficial da água .

62

64

66

68

70

72

74

76

0 2,5 5 10Ten

são

su

perf

icia

l (D

ina/c

m)

NaCl (%m/m)

Medidas de Tensão Superficial

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Medidas de tensão superficial das soluções de surfactante, e as estimativas de desvio padrão das triplicatas

Tabela 1. Medidas de tensão superficial das soluções de surfactante, e as estimativas de desvio padrão das triplicatas

SDS (mmol/L) 0 1 2 3 4

1 (Dina/cm) 66,20 61,70 53,10 49,70 44,20

2 65,70 62,00 53,70 50,20 45,50

3 66,20 61,90 53,40 50,00 44,90

P médio 66,03 61,87 53,40 49,97 44,87

F 0,927325199 0,923070061 0,914128938 0,910380355 0,904667754

P corrigido 61,23 57,11 48,81 45,49 40,59

Desvio 0,29 0,15 0,30 0,25 0,65

SDS (mmol/L) 5 6 8 10 12

1 (Dina/cm) 39,20 37,80 37,30 39,70 40,00

2 39,60 38,50 38,20 40,00 40,10

3 39,40 38,20 37,80 39,90 40,10

P médio 39,40 38,17 37,77 39,87 40,07

F 0,898335509 0,896874641 0,896398173 0,898885069 0,899120063

P corrigido 35,39 34,23 33,85 35,84 36,02

Desvio 0,20 0,35 0,45 0,15 0,06

Gráfico 01. Valores médios de tensão superficial versus a concentração das soluções de SDS e determinação da C.M.C

Através da análise dos resultados é possível notar a influência da adição do surfactante SDS na

tensão superficial da água. Os surfactantes ao serem adicionados na água se arranjam de

maneira à diminuir a repulsão entre grupos hidrofóbicos e as moléculas de água.

Os grupos polares tem maior afinidade com a água e com ela interagem, por outro lado os

grupos apolares ficam na interface água-ar, minimizando o contato com a água, causando a

diminuição na tensão superficial da água.

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As leituras de Tensão superficial Aparente (P), efetuadas diretamente na escala do tensiômetro

foram corrigidas multiplicando-se um fator (F) para se obter a Tensão superficial real (S).. O

fator foi calculado pela seguinte equação:

Onde :

P - tensão superficial aparente (lida no tensiômetro),

C - circunferência do anel (5,968 cm),

D - densidade da fase inferior (líquido),

d – densidade da fase superior (ar),

r – raio do fio do anel,

R - raio do anel (R/r = 53,4622461)

A densidade do líquido é sempre muito maior do que a do ar, assim a diferença (D-d) foi

aproximada para a densidade da água.

Figura 2. Grafico: Tensão superficial de soluções acrescidas de SDS (mmol/L) e a CMC

A concentração micelar crítica encontrada em nosso experimento foi de 4,6 mmol/L de SDS.

30,00

35,00

40,00

45,00

50,00

55,00

60,00

65,00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Din

a/c

m

mmol/L

CMC

Tensão Superficial X Dosagem SDS

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5- Conclusão

O experimento demonstrou com satisfação a diferença do efeito causado na tensão superficial

da água entre a adição de um surfactante (SDS) e um composto tensiônico (NaCl). A alteração

foi significativa e mensurável. Pudemos perceber a diminuição da tensão superficial causada

pelo SDS e o aumento da mesma causada pelo NaCl.

Apesar do uso de um equipamento não utilizado anteriormente na graduação, o mesmo

apresentou facilidade no manuseio, embora algumas vezes tivemos dificuldades em encontrar

o valor exato na escala.

O experimento permitiu também determinar a C.M.C; que é a concentração micelar cítica; as

micelas são importantes nos processos industriais e nos biológicos graças a função

solubilizadora que podem exercer.

Em nosso experimento (@25ºC) também pudemos encontrar a Tensão superficial da água que

foi de 61,23 Dina/cm; o valor encontrado é diferente do valor da literatura que a 25°C é de 72,1

Dina/cm[3].

O valor encontrado por nós é inferior ao da literatura, acreditamos que por isso poderiam as

nossas vidrarias estarem contaminadas com detergente, que é um surfactante e que causaria

diminuição na tensão superficial. Esta possibilidade é fortalecida pela dificuldade que tivemos

ao remover todo o detergente residual das vidrarias no momento em que as lavamos antes do

início da aula (espumavam muito). Outro fator que poderia ter influenciado é a calibração do

tensiômetro.

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6- Bibliografia

[1] Shaw, D.J., Introdução a Química de Colóides e Superfícies [2] Atkins, P.W., Físico-Química, Ed. LTC, 6ª ed., Rio de Janeiro, 1997 [3] Smithsonian institution, Fowle, Frederick E.; Título: Smithsonian Physical Tables Editora Biblio Bazaar, págs.356