UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE QUÌMICA
DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN MISELAR CRÍTICA Y AREA SUPERFICIAL REPORTE EXPERIMENTAL LABORATORIO UNIFICADO DE FISICOQUIMICA
DAVID TURCIO GRUPO 18
FLUX IQ´S Fernández Marbán Raúl Castro Hernández Zaira Ariadna Osornio Maldonado Allan Ricardo
14 de febrero de 2014
OBJETIVO *Objetivos Generales Determinar experimentalmente la concentración micelar crítica y la gama de saturación del Dodecilbencen Sulfato de Sodio.
*Objetivos Particulares Por el método de: Anillo de Dünoy y por el de conductividad medir la tensión superficial y a su vez comparar el CMC teórica con los obtenidos experimentalmente y determinar cuál es el que más se asemeja al valor real o teórico.
HIPÓTESIS Se piensa, que de tener una disolución concentrada en un comienzo de un surfactante “x”, al ir diluyéndola, en este caso con agua, al medir su tensión superficial y la conductividad de la solución, ¿se observará un cambio abrupto en los comportamientos de las graficas realizadas y se podrá determinar con ellas los parámetros problema?
INTRODUCCIÓN Hay muchas maneras de caracterizar tensoactivos, pero sin duda la más remarcada ha sido la concentración micelar crítica (CMC). A lo largo de la práctica se determinara la CMC del surfactante aniónico, en este caso escogido al azar: DSS (Dodecil sulfato sodio). La CMC de cada una de las sustancias es única, y ese es el secreto para el uso industrial; en los detergentes, es de suma importancia estudiar tanto el tema de CMC, como el de tensión superficial, ya que van de la mano, y de estas dos propiedades, depende la textura, poder surfactante, y propiedades químicas del producto final deseado. Para lo anterior y subsecuente, es importante definir que es la CMC, en resumido se llama así a la concentración mínima de surfactante a partir de la cual se forman micelas espontáneamente en una disolución. La concentración micelar crítica es una característica de precisión para cada substancia, nos indicara que tan buen surfactante es y la relación que tiene con su tensión superficial. Y se puede identificar por muchos métodos, entre ellos están: conductividad, concentración, resonancia magnética nuclear, etc. Es fácil detectar las micelas, ya que tienen una zona de discontinuidad en su variación, es decir a determinada concentración, la tensión se mantiene casi
constante y vuele a subir, es aquí cuando sabemos que están apareciendo las primeras micelas. Casi todos los métodos o si no, los más socorridos, se basan en la variación de la tensión superficial y de la conductividad electrolítica de las soluciones (sólo surfactantes iónicos); ya que la micelización, se manifiesta en la mayoría de los casos, por la aparición de una inflexión en las curvas de la variación de los parámetros físico – químicos, con la concentración de las sustancias tensoactivas. Hay dos principios que debemos mantener en mente: 1.- Las tensiones superficial e interfacial de un sistema que contiene un surfactante puro no varían cuando la concentración de este último sobrepasa su CMC; en otros términos, se puede decir que un exceso de micelas no cambia en nada la actividad superficial o interfacial. Sin embargo, la magnitud de los fenómenos de solubilización micelar varía con la cantidad de micelas. 2.- Debajo de la CMC, las propiedades termodinámicas de las soluciones de surfactante (presión osmótica, descenso crioscópico, etc) siguen leyes ideales o regulares del mismo tipo que aquellas de las soluciones que contienen un soluto de gran dimensión molecular. Por el contrario, encima de la CMC se observa un comportamiento fuertemente no-ideal y una actividad casi constante; en ciertos casos extremos, se pueden aún obtener estructuras de tipo gel o cristal líquido, con apenas algunos. Dada su definición, es casi obvio que la aplicación en la industria farmacéutica es de suma importancia, así como su uso como sistemas imitadores del comportamiento de sistemas biológicos, por esa razón es fundamental el estudio de este tipo de sistemas a diferentes condiciones. Hay dentro de la CMC factores que promueven las interacciones y aquellos que detienen la micelización, para la minimización de las interacciones entre la parte lipofílica del surfactante y el agua, corresponde al efecto hidrófobo que favorece la asociación de las moléculas en una micela. Cuando más importante la parte lipofílica o hidrófoba del surfactante, mayor será la producción de micelas y por lo tanto el CMC bajará.
Por el otro lado están las interacciones que desfavorecen la formación de micelas, son de dos tipos. Primero aquellas que ayudan la solubilización monomolecular del surfactante en el agua, básicamente por efecto de solvatación del grupo polar. Mientras más polar éste grupo, menor la tendencia en formar micelas y mayor CMC. El otro efecto negativo para la creación de micelas es debido a las interacciones de tipo electrostático que resultan de la repulsión entre las partes hidrofílicas de las moléculas de surfactantes asociadas en las micelas. Haciedo con esto, que sii las fuerzas de repulsión son demasiado grandes, las moléculas no pueden acercarse suficientemente para que se produzca la interacción hidrófoba entre grupos lipofílico y por tanto el CMC baja.
DESARROLLO EXPERIMENTAL a) MATERIAL
b)
Aparato de Anillo de Du Nouy Anillo de Du Nouy 10 Vasos de Precipitados de 50ml 1 Espátula 1 Balanza 1 Caja de Petri Agua destilada 1 Probeta de 100 ml 2 Matraz Aforado de 50 ml Conductimetro REACTIVO Nombre Químico
Dodecilbencensulfonato de sodio
Estructura Peso Molecular (g/mol) Propiedades Físicas Propiedades Químicas
348 Solido; Punto de Fusión mayor 300°C Reacciona con ácidos produciendo gases tóxicos
a) DIAGRAMA DE DIAGRAMA DE FLUJO.
Calculo de la concentración de la solución y as de la muestra
Start
Preparar 10 disoluciones
No
No Medir conductividad superficial
Medir tensión superficial
Si
Si End
RESULTADOS a) ALGORITMO DE CÁLCULO 1. Preparar 10 disoluciones de tensoactivos a diferentes concentraciones (dentro de un intervalo de concentración de 10-4 a 10-3), Realizando anteriormente los cálculos correspondientes. 2. Ayudado de un conductímetro medir las conductividades de cada disol 3. Medir la tensión superficial a cada disolución con el aparato de Anillo de Du Novy 4. Almacenar los Datos en una hoja de cálculo 5. Graficar los datos (Concentración VS Tensión Superficial) 6. A los datos de concentración, sacarle el logaritmo natural a cada uno. 7. Graficar los datos (Ln concentración VS Tensión Superficial) 8. Como en esa grafica tenemos dos rectas, las igualamos ya que el punto de intersección de las rectas nos determinara la Concentración Micelar Crítca (CMC) 9. Determinar la Concentración de Saturación con la siguiente ecuación: (
)
10. Determinar el error experimental con el valor de la CMC teórica y la experimental
b) TABLA DE RESULTADOS Y GRÁFICAS b.1 Determinación de la CMC por medio de la tensión superficial Dodecilbencen Sulfato de Sodio DATOS PM CMC Vol H2O (gr/mol) Teorica (L) 348 .0016 M 0.05
DODECILBENCEN SULFATO DE SODIO Disolucion
gr Tensoactivo
x (mol/L)
σ (Dinas/cm)
1
0,0082
0,00047126
42,7
2
0,0123
0,0007069
42,3
3
0,0153
0,00087931
42,1
4
0,0171
0,00098276
41,3
5
0,0192
0,00110345
41
6
0,0238
0,00136782
38,3
7
0,0299
0,00171839
36,5
8
0,0376
0,00216092
36,9
9
0,0458
0,00263218
37,2
Tabla 1 Datos Experimentales del cambio de Tensión Superficial con respecto a la concentración
σ(Dinas/cm) vs X
44 42
y = 764,64x + 35,207 R² = 0,9899 y = -7685,1x + 49,001 R² = 0,9623
σ (Dinas/cm)
40 38 36 34 32 0
0.0005
0.001
0.0015 X (mol/L)
0.002
0.0025
0.003
Gráfica 1 Cambio de Tensión Superficial con respecto a la concentración
b.2 Determinación de la CMC por medio de la conductividad térmica Dodecilbencen Sulfato de Sodio DATOS TÉCNICOS PM CMC Vol H2O (gr/mol) Teórica (L) 348 .0016 M 0.05
DODECILBENCEN SULFATO DE SODIO Disolucion
gr Tensoactivo
x (mol/L)
Conductivadad ( S)
Temperatura °C
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0,0082 0,0123 0,0153 0,0171 0,0192 0,0238 0,0299 0,0376 0,0458 0,0493
0,00047126 0,0007069 0,00087931 0,00098276 0,00110345 0,00136782 0,00171839 0,00216092 0,00263218 0,00283333
92,6 122,3 135,2 155,1 167,2 205 235 281 329 348
22,1 21,9 21,8 22 21,9 21,8 21,7 21,4 21,2 21,4
Tabla 2 Datos Experimentales del cambio de Conductividad con respecto a la concentración
K (conductividad) vs X(mol/L) y = 102758x + 32.323 R² = 0.9919
400 350
K (mS)
300 250
y = 84216x + 60.821 R² = 0.9998
200 150 100 50 0 0
0.001
0.002
0.003
0.004
x (mol/L)
Gráfica 2 Cambio de Conductividad con respecto a la concentración
b.2 Determinación de la gama de saturación por tratamientos graficos
Dodecilbencen Sulfato de Sodio DATOS PM CMC Vol H2O (gr/mol) Teorica (L) 348 .0016 M 0.05
DODECILBENCEN SULFATO DE SODIO Disolución
σ (Dinas/cm)
1 2 3 4 5 6 7 8 9
42,7 42,3 42,1 41,3 41 38,3 36,5 36,9 37,2
Ln x -7,660091331 -7,254626223 -7,036372657 -6,925147022 -6,809315206 -6,594539905 -6,366367005 -6,137221435 -5,939941394
Tabla 3 Datos Experimentales del cambio de Tensión Superficial con respecto al Logaritmo natural de concentración
σ (Dinas/cm) vs Ln(X) 44 y = 1.6443x + 46.976 R² = 0.9985
42
σ (Dinas/cm)
40 38 36
y = -12,571x - 44,602
34 32 -8
-7.5
-7
Ln(X)
-6.5
-6
-5.5
Gráfica 3 Cambio de Tensión Superficial con respecto al Logaritmo Natural de concentración
CALCULOS Con las ecuaciones de la grafica 1 obtendremos la concentración micelar critica por el cambio abrupto de tensión superficial: Y1=764.64x + 35.207..(1) Y2=-7685.1x+49.001..(2)
Con las ecuaciones de la grafica 2 obtendremos la concentración micelar critica por el cambio abrupto pero ahora por conductividad de la solución: Y2=84216x + 60.821..(3) Y2=102758x+32.323..(4)
Como observamos las 2 ecuaciones obtenidas a partir de los puntos experimentales representados en la grafica 3 son: Y3= -12.571x -44.602 ..(5) Y3= 1.6443x+46.976 ..(6)
Resolviendo el sistema de ecuación obtenemos que: X1 = lnx -6.4422
Sabiendo éste valor deX1 podemos determinar x=exp(-6.4422); Para determinar la gama de Saturación utilizamos (
)
(
CMC 0.001593
) (
)
mol/cm2) 5.14x10-10
El error experimental que tuvimos en la mediciones fue de: ( CALCULO CMC Error experimental (%)
Por Tensión Superficial 1.8
) Por Conductividad
Grafica vs Ln X
3.31
0.4375
ANÁLISIS DE RESULTADOS Con los resultados experimentales vemos que el tensoactivo sufre cambios significativos a bajas concentración de alguna propiedad medible. Con concentraciones por debajo de la Concentración Micelar Crítica, la tensión Superficial va decreciendo con conforme se aumenta minimamente la concentración de la solución hasta que sufre un cambio abrupto apreciado en la grafica para que después se empieza a manetener constante. Por el contrario la conductividad en una disolución va aumentando conforme la concentración de tensoactivo aumenta hasta llegar a un punto en que empieza a mantenrse constante. El punto en que empieza a cambiar de un comportamiento creciente a una tendencia constante es el llamado Concentración Miselar Critica. Obtuvimos la Concentración Micelar Crítica por medio de Tensión Superficial a partir de la intersección de las dos rectas graficadas anteriormente dándonos un valor de que comparando con el valor teórico de nos da un valor de error experimental del 1.8 % lo que nos indica que las mediciones experimentales fueron hechas adecuadamente. Por su parte la concentración Micelar Critica por el método de conductividad fue de de . Presentando un Error Experimental de 3.31%, lo que nos indica buenas mediciones experimentales. Por lo que vemos el método más confiable que genera menor error es medir la tensión superficial de disolución, ya que también por este método podemos calcuar igualmente la gama se saturación.
CONCLUSIONES Como conclusión, se puede observar en las tablas y gráficas que las disoluciones con las que se trabajaron fueron las correctas, hablando de la medición de tensión superficial, debido a que se pudo observar un cambio abrupto y después un comportamiento constante; con lo que se pudo calcular la CMC. El error como se puede observar en el cálculo es pequeño, por lo que se trabajó bien la práctica. En cuanto a la conductividad, el cambio no fue tan notorio como con la tensión superficial, pero aun así se puede observar las pendientes diferentes; por lo que también se pudo calcular la CMC con mediciones de conductividad.
BIBLIOGRAFÍA 1. Adamson, A.W., “Physical Chemistry of Surfaces”, John Wiley & Sons Inc., 1990. 2. Christmann, K., “Introduction to Surface Physical Chemistry”, Steinkopff Verlag Darmstadt, 1991 3. Laidler, K.J. & Meiser, J.M., “Fisicoquímica”, CECSA, 1ª edición español, 1998. 4. Levine, I.N., "Fisicoquímica", 2 vols, Mc. Graw Hill Interamericana de España, 3ª edición, 1997. 5. http://campus.usal.es/~quimfis/apoyo/Margarita_Valero/practicas/cmc.PDF 6. http://manglar.uninorte.edu.co/bitstream/10584/107/1/92528862.pdf http://www.scielo.cl/pdf/infotec/v22n4/art05.pdf
