UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO. Facultad de Química. Laboratorio Unificado de Fisicoquímica (1644).
“DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN MICELAR CRÍTICA DE UN TENSOACTIVO” PRÁCTICA 5
P R E S E N T A: EQUIPO 4: “LOS CUBOS” CRUZ SÁNCHEZ ITZEL SHARENI. ISLAS ESCOBAR ALEXA PAMELA. LÓPEZ SAN LUIS MARÍA FERNANDA. MOLINA RUIZ LUIS GERMÁN.
Martes 13:00-17:00 hrs. Fecha de de experimentación: 24 de abril 2018. Fecha de entrega: 8 de mayo 2018 .
I.
Resumen.
II.
Introducción.
En la termodinámica se conoce como “fase” a una región del espacio con propiedades intensivas como presión, temperatura y concentración constantes. Si se tienen dos fases en contacto, deben diferenciarse en alguna de estas propiedades y, por lo tanto, debe existir una zona de transición donde las propiedades cambien desde su valor en una fase hasta el valor que adquieren en otra, esta región tridimensional de contacto entre dos fases recibe el nombre de interfase y sus propiedades varían desde las correspondientes de la fase α hasta las de la fase β. Tensión Superficial. Es una fuerza que existe al nivel de toda interfaz entre dos medios diferentes (entre un sólido o un líquido y un gas). La tensión entre medios idénticos: dos sólidos, dos líquidos, o también entre un líquido y un sólido es generalmente llamado: la tensión interfacial. De acuerdo con la teoría de atracción molecular, las moléculas de un líquido que se encuentran considerablemente debajo de la superficie actúan una sobre otra por medio de fuerzas que son iguales en todas direcciones. Sin embargo, las mol´eculas que se encuentran cerca de la superficie tienen una mayor atracción entre sí, que las presente entre moléculas que están inmediatamente debajo de ella. Por lo que, en la superficie una molécula está atraída hacia el volumen. Esto produce una superficie de líquido que actúa como una membrana estirada. Debido a este efecto de membrana, cada porción de la superficie del líquido ejerce “tensión” sobre porciones adyacentes o sobre objetos que estén en contacto con la superficie del líquido. Esta tensión actúa en el plano de la superficie, y su magnitud por unidad de longitud se define como tensión superficial. La tensión superficial entre aire y agua es 0.073 N/m a temperatura ambiente. La tensión superficial permite a la gota de agua de no extenderse sobre una hoja, o a ciertos insectos marchar sobre el agua, o bien todavía la tensión superficial permite esta forma abombada del agua en un vaso colmado con la noción de capilaridad. Tensoactivos.
Los tensoactivos (también llamados surfactantes) son sustancias que influyen por medio de la tensión superficial en la superficie de contacto entre dos fases (p.ej., dos líquidos insolubles uno en otro). La clasificación se fundamenta en el poder de disociación del tensoactivo en presencia de un electrolito y de sus propiedades fisicoquímicas, pueden ser: Iónicos: según la carga que posea la parte que presenta la actividad de superficie: (a) aniónicos, (b) catiónicos y (c) anfóteros No-iónicos. Tensoactivos aniónicos: En solución se ionizan, pero considerando el comportamiento de
sus grupos en solución, el grupo hidrófobo queda cargado negativamente. Están constituidos por una cadena alquílica lineal o ramificada que va de 10 a 14 átomos de carbono, y en su extremo polar de la molécula se encuentra un anión. Representantes de este grupo son derivados del ión sulfato o de sulfonatos como es el dodecil sulfato de sodio o dodecil bencen sulfonato de sodio. Tensoactivos catiónicos; Son aquellos que en solución forman iones, resultando cargado
positivamente el grupo hidrófobo de la molécula. Como representante de este grupo se encuentra el Bromuro de Cetil Amonio; en general, son compuestos cuaternarios de amonio o una amina grasa en medio ácido. Tensoactivos anfóteros ó anfotéricos: Como su nombre lo indica, actúan dependiendo del
medio en que se encuentren, en medio básico son aniónicos y en medio ácido son catiónicos. Tensoactivos no-iónicos: Los surfactantes o tensoactivos no-iónicos son aquellos que sin
ionizarse, se solubilizan mediante un efecto combinado de un cierto número de grupos solubilizantes débiles (hidrófilos) tales como enlace tipo éter ó grupos hidroxilos en su molécula. Como representantes están los alcoholes grasos o fenoles a los que se les agregan una o varias moléculas de óxido de etileno; ejemplo de ellos el nonil fenol etoxilado o el nonanol etoxilado. Las propiedades generales y comportamiento de los agentes tensoactivos se deben al carácter dual de sus moléculas (grupo hidrófilo y lipófilo) ; es así como el antagonismo entre estas dos secciones de su molécula y el equilibrio entre ellas es la que dá al compuesto sus propiedades activas de superficie. El grupo hidrófilo ejerce un efecto solubilizante y tiende a llevar a la molécula a disolución completa. El grupo hidrófobo, en cambio, debido a su insolubilidad tiende a contrarrestar la tendencia del otro. Sí se logra el equilibrio adecuado entre los dos grupos se ve que la sustancia no se disuelve por completo, ni queda sin disolver del todo, concentrándose en la interfase con sus moléculas orientadas de tal forma
que los grupos hidrófilos se orientan hacia la fase acuosa, mientras que los hidrófobos hacia la no acuosa o a la fase vapor. Concentración micelar crítica. Los representantes típicos de los sistemas dispersos liófilos son las dispersiones micelares de sustancias tensioactivas. En ellas coexisten moléculas individuales de tensioactivo y partículas coloidales formadas por la asociación de moléculas de sustancia tensioactiva denominadas “micelas”. La formación de estas estructuras micelares ocurre a partir de una cierta concentración de tensioactivo disuelto que se denomina “concentración micelar crítica (cmc)”. El número de moléculas de tensioactivo que se incluye en cada micela se denomina “número de agregación (N)”. En general las micelas presentan estructura esférica con número de agregación constante. En el caso de tensioactivos iónicos la micela no libera el 100% de los contraiones al seno de la disolución (como hace el monómero de tensioactivo libre) sino que una gran parte de ellos (70%-80%) quedan en la superficie micelar contrarrestando el exceso de carga que existe, en definitiva estabilizando el agregado. La proporción de iones liberados es el “ grado de disociación (~) “ de la micela. Todos estos parámetros son característicos del tensioactivo que forma el agregado micelar y de las condiciones de formación del mismo. El gran interés de los sistemas micelares en la industria farmacéutica, así como su uso como sistemas imitadores del comportamiento de sistemas biológicos, justifican ampliamente el interés de la caracterización (cmc, N,~) de este tipo de sistemas en diferentes condiciones. Método conductimétrico. La micelización produce un cambio cualitativo del sistema: la transición del sistema homogéneo a un sistema disperso coloidal microheterogéneo. Este cambio cualitativo viene acompañado de una variación brusca, que se registra experimentalmente, de las propiedades físico-químicas del sistema y que se manifiesta, en la mayoría de los casos, por la aparición de una inflexión en las curvas de la variación de los parámetros fisicoquímicos con la concentración de las sustancias tensioactivas. En las disoluciones de tensioactivos iónicos, cuando comienza la asociación micelar se produce una disminución de la velocidad de aumento de la conductividad con la concentración de tensioactivo. Este cambio de comportamiento se debe a que la micela no libera el 100% (como hace el monómero de tensioactivo libre) de los contraiones al seno de la disolución sino un 20-30% según su grado de disociación. Este cambio de las propiedades eléctricas de la disolución permite calcular los parámetros relacionados con el cambio.
III.
Objetivos.
● Determinar la concentración micelar crítica (cmc) del tensoactivo dodecil sulfato de sodio mediante medidas de conductividad.
IV.
Hipótesis.
● La concentración micelar crítica del dodecil sulfato de sodio resultará a un valor cercano a 8.0 mM. ● El cambio en la pendiente ocurre a la concentración de tensoactivo a la que comienza la formación de micelas, por lo que la cmc se determina como la intersección de ambas rectas.
V.
Tabla de datos experimentales.
Para la medición de la conductancia eléctrica se utilizó un conductímetro digital EUTECH modelo 110 series con resolución de 0.01 .
Corrida 1 Volumen (mL)
[DSS]
25
1.0E-01
2150
2180
50
5.0E-02
980
75
3.3E-02
100
Corrida 2
μS
Promedio
[DSS]
μS
Promedio
2160
2163
1.0E-02
409
411
410
410
970
990
980
5.0E-03
238
241
236
238
780
770
790
780
3.3E-03
158
160
159
159
2.5E-02
630
640
670
647
2.5E-03
101
102
103
102
125
2.0E-02
550
550
560
553
2.0E-03
75
78
74
76
150
1.7E-02
500
498
498
499
1.7E-03
54
54
54
54
175
1.4E-02
456
455
454
455
1.4E-03
41
39
39
40
200
1.3E-02
400
500
400
433
1.3E-03
29
29
29
29
225
1.1E-02
419
418
418
418
1.1E-03
23
20
23
22
250
1.0E-02
386
386
388
387
1.0E-03
13
13
13
13
Tabla 1. Resultados de las Corridas 1 y 2
Gráfica 1. Resultados de la Corrida 1
Gráfica 2. Resultados de la Corrida 2 Los resultados anteriores fueron producto del sistema que se muestra en las siguientes imágenes, tomadas durante la experimentación.
Imagen
VI.
Manejo de datos.
Para poder interpretar los resultados presentados anteriormente debe de recurrirse a una regresión lineal de las gráficas presentadas anteriormente. El método conductimétrico se basa en medir la conductividad a diferentes concentraciones, para después registrar el cambio de pendiente de una zona a otra.
La concentración micelar crítica se encuentra en el punto de intersección de ambas gráficas. Para encontrar este punto, se igualarán las ecuaciones de las rectas obtenidas en cada segmento: 19236 x + 168.7 = 44827 x − 17.031
Al resolver esta ecuación lineal se encuentra que la concentración micelar crítica es: Cmc= 0.00726 mol/l.
VII.
Tabla de resultados.
A continuación se muestra una tabla con los resultados más importantes del manejo de datos.
Concentración Micelar Crítica
VIII.
0.00726 mol/l
Análisis de resultados.
La concentración micelar crítica se define como la concentración máxima en la que un tensoactivo libre en un medio comienza a formar la primera micela. Es decir, comienza a aglomerarse en estructuras bien definidas con tal de obtener una forma de mínima energía. Al juntarse moléculas similares o iguales entre sí y formar este tipo de estructuras, reducen las interacciones del medio continuo (repulsiones). En este experimento se encontró que la concentración micelar crítica era 0.00726 mol/l. Tiene sentido este resultado ya que la primera corrida con concentraciones superiores a esta tienen una pendiente menor a concentraciones menores a esta. En otras palabras, la conductividad cambia mucho más abajo de esta concentración con cambios en el número de mol relativamente chicos. En cambio, en valores superiores a este valor, la concentración la conductividad se mantiene más “constante” con los mismos cambios. Comparado con el valor reportado en la literatura, 0.0082 mol/l, el error es de 11.46%.
IX.
Conclusiones.
● La concentración micelar crítica es la primera instancia donde una solución con algún tensoactivo comienza a aglomerarse en micelas. ● Debido a las interacciones intermoleculares, las micelas tienen estructuras ordenadas y bien definidas y van cambiando de forma y tamaño en cuanto más vaya creciendo la concentración del tensoactivo. ● A pesar de marcar el inicio de la micelación, hay moléculas de tensoactivo libres en el seno del líquido; rebasar la cmc no implica que todas las moléculas formen parte de alguna micela. ● La conductividad de una solución aumenta de forma directamente proporcional con su concentración, pero a menores concentraciones, el aumento es mayor con un menor aumento en el número de mol. ● El método conductimétrico funciona decentemente bien y sirve como una simple y rápida primera aproximación para la determinación de concentraciones micelares críticas.
X.
Fuentes consultadas.
Valero, M. (s.f.) Determinación de la concentración micelar crítica (cmc) y grado de disociación (a) de un tensioactivo iónico mediante medidas de conductividad. Recuperado el 4 de mayo del 2018 de http://campus.usal.es/~quimfis/apoyo/Margarita_Valero/practicas/cmc.PDF Torres, J.P. (2003). Tensión superficial. Recuperado el 4 de mayo del 2018 de http://www.astro.ugto.mx/~papaqui/ondasyfluidos/Tema_2.03-Tension_Superficial.pdf (s.f.)
Tensoactivos.
Recuperado
el
4
de
mayo
del
2018
de
http://biorem.univie.ac.at/fileadmin/user_upload/p_biorem/education/lectures/SEMARNAT/S EMARNAT-E-Clasificacion_de_Tensoactivos.pdf Salager, J. (2002). Surfactantes: Tipos y usos. Recuperado el 4 de mayo del 2018 de http://www.firp.ula.ve/archivos/cuadernos/S300A.pdf
