Efecto de la Concentración de Tensoactivos en la Solubilidad del Ácido Benzoico Effect of Surfactants Concentration in the Solubility of Benzoic Acid Jessica Arciniegas 1, Santiago Baez 1, Lina Cárdenas 1, Laura Carranza 1, Felipe García1, Santiago Hernández 1, David Peña 1, Sebastián Sierra 1. 1 Estudiante de Farmacia - Pregrado - Universidad Nacional de Colombia Resumen En este trabajo se evalúa la varia riación ión de la solu solubi bili lida dadd del del ácid ácidoo benz benzoi oico co en agua agua por por la adici dicióón de disti istint ntaas concen ncentr trac acio ionnes de los los tens tensio ioaactiv tivos no ión iónico icos Twe Tween® n®660 y Twee Tween® n®80 80.. Para Para cuan cuantif tific icar ar la solu solubi bili lida dadd apar aparen ente te,, se real realiz izaa la resp respec ectiv tivaa titu titula laci ción ón del del comp compue uest stoo de inte interé réss (áci (ácido do benz benzoi oico co)) con NaOH 0.1 N para cada una de las seis mezc ezclas las ácido ido benz benzooicoico-te tens nsio ioaactiv ctivoo y a una solución acuosa saturada la cual, servir rviráá como como punto unto de refe refere renncia cia y que por dife iferen rencia en las las conce oncenntra tració ción permit rmitir iráá establ tableecer la capac pacida idad de solu solubbiliz ilizac ació iónn de los tensioactivos. Palabr Palabras as claves claves:: Solubilidad Solubilidad,, solubilidad solubilidad aparente, tensioactivos, CMC.
Summary In this work is evaluated the variation of solubility of benzoic acid in water by the addi additi tion on of diff differ eren entt conc concen entr trat atio ions ns of the the nonionic’ ic’s tensoactive ives Tween®60 and Tween®80. To quantify apparent solubility ity, is performed a titrat rating ing for the compo ompoun undd of inte intere resst (be (benzoic zoic acid cid) with ith 0.1 N NaOH to each one of the six mixtures benzoic acid-tensoactive and a saturated aqueous solution which will serve as a reference point, and by diff differ eren ence ce in conc concen entr trat atio ionn will will esta establ blis ishh the capacity of solubilization of tensoactives. Keywords: Solubi Solubilit lity, y, app appare arent nt solubi solubility lity,, tensoactives, CMC.
Introducción Los tensioactivos por su cualida idad dual o anfifíli ílica interactúa con el agua, la cual atrae rae sus grupos polares pero rep repele sus colas de hidroc rocarburo. En consecuencia, los ten tensioactivo ivos tien tiende denn a conc oncentr entraarse rse y adsorb sorbeerse rse en las las inte interf rfaases ses, en este ste caso ácido ido benz enzoic oico-a o-agua. gua. La tens tensió iónn supe superf rfic icia iall de las las solu soluci cion ones es acuo acuosa sass de los los tens tensio ioac acti tivo voss dism dismin inuy uyee con con el aume aument ntoo de la conc concen entr trac ació ión, n, hast hastaa un punt puntoo más más allá allá del del cual cual se hace hace prác prácti tica came ment ntee cons consta tant nte. e. En ese ese mome moment ntoo ocur ocurre renn camb cambio ioss abru abrupt ptos os no solo solo en las las prop propie ieda dade dess de supe superf rfic icie ie e inte interf rfas asee sino sino también en las del grueso de las soluciones, como presión osmótica, conductividad equi equiva vale lent nte, e, índi índice ce de refr refrac acci ción ón,, volu volume menn mola molarr parc parcia ial, l, la visc viscos osid idad ad rela relati tiva va,, entr entree otra otras. s. Esta Esta conc concen entr trac ació ión, n, en la cual cual toda todass las las prop propie ieda dade dess de la solu soluci ción ón camb cambia iann de form formaa abru abrupt ptaa se llam llamaa conc concen entr trac ació iónn mice micela larr crít crític icaa (CMC (CMC). ). Por Por enci encima ma de la CMC, CMC, todo todo el tens tensio ioac acti tivo vo en exce xceso se inco incorp rpoora a las las mice micela las, s, sin emba embarg rgoo, la dilu dilucción ión del ten tensio sioacti activo vo por deb debajo ajo de la CMC provoca que las micelas se dispersen o se rompen en moléculas aisladas o no asociadas1. Tipo de artículo: Problema: ¿Cómo influye la concentración de tensoactivos en la solubilidad del ácido benzoico? Marco teórico Tween® o Polisorbatos tos: Son ésteres o polioxietilen sorbitano (Sorbitol y sus anhídrid ridos copolimeriza izados con 4,5 o 20 moles de Óxido de Etilen leno) parcial ialmente esfe esferí rífi fica cado doss con con ácid ácidos os gras grasos os supe superi rior ores es,, son son surf surfac acta tant ntes es no ióni iónico cos, s, hidr hidrof ofíl ílic icos os,, con con ampl amplio io e inte intens nsoo pode poderr emul emulge gent ntee no ióni iónico co y susp suspen enso sor, r, que que orig origin inan an emul emulsi sion ones es 2 de fase externa acuosa, estables y de textura fina . ●
Materiales y Métodos ● ●
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Materiales: Bureta, Pipeta aforada, Erlenmeyer, Beaker, Tubos de ensayo. Reactivos: Solución acuosa saturada de ácido Benzoico, Hidróxido de Sodio 0.1N, Tween®60 y Tween®80 (Concentraciones: 0.2; 0.4; 0.6%), Fenolftaleína. Métodos:
Pre-titulación La pre-titulación se realiza con el fin de determinar los volúmenes más adecuados a usar de las soluciones de tensioactivos (Tween®60 y Tween®80 en concentraciones de 0.2, 0.4 y 0.6%) y de la solución acuosa saturada en la titulación, con el fin de evitar que se supere el 1% de error tomando como referentes el error del instrumento volumétrico (bureta) y el volumen de titulante gastado. Para este procedimiento se requirió de una bureta de 50 mL con un margen de error de ±0.05mL, en la cual se adiciona el agente titulante que para este caso es NaOH 0.1 N. Las soluciones a titular fueron añadidas en volúmenes de 1 mL mediante una pipeta aforada de 1 mL en tubos de ensayo. Como indicador de pH se usó fenolftaleína (2 gotas por solución). Titulación La titulación se realizó por duplicado, para ello se llenó una bureta de 50 mL±0.05mL (usada en la pre-titulación) con NaOH 0.1N como agente titulante. Las soluciones se añadieron a un erlenmeyer de 200 mL con 2 gotas de fenolftaleína en los siguientes volúmenes: 15 mL de Tween®60 0.2%, 10 mL de Tween®60 0.4%, 10 mL de Tween®60 0.6%, 15 mL de Tween®80 0.2%, 10 mL de Tween®80 0.4%, 10 mL de Tween®80 0.6% y 20 mL de solución de ácido benzoico saturada. Resultados y Discusión mL de NaOH 0.1N Solución Patrón 0.4
Tween®60
mL de NaOH 0.1N
Tween®80
mL de NaOH 0.1N
0.2%
0.6
0.2%
0.2
0.4%
0.9
0.4%
0.4
0.6%
1.5
0.6%
0.6
Tabla 1: Volumen de titulante usado en la pre-titulación de 1 mL de soluciones problema y solución patrón.
Solución Patrón 20ml
Vol NaOH 0,1N Gastado
Tween®60
Vol NaOH 0,1N Gastado (ml)
5,5ml
0,2 (15ml)
6,6
6,6
6,6
0,4 (10ml)
8,7
8,8
8,75
0,6 (10ml)
13
12,6
12,8
Tabla 2: Volumen de titulante y mezclas utilizadas en la titulación de las soluciones con
Promedio (ml)
Tween®60
Vol NaOH 0,1N
Tween®80
Gastado Solución Patrón
5,5ml
20ml
Vol NaOH 0,1N
Promedio
Gastado (ml)
(ml)
0,2 (15ml)
10,7
9,9
10,3
0,4 (10ml)
15,1
14,9
15
0,6 (15ml)
32,7
34,5
33,6
Tabla 3: Volumen de titulante y soluciones utilizado en la titulación de las soluciones con Tween®80
Concentrac ión Ac
TW®60
Benzoico
TW®80
(M)
Solubilidad ap. Ac Benzoico en Agua (g/L)
Concentrac
(M)
ión Ac Benzoico
(M)
Solubilidad ap. Ac Benzoico en Agua (g/L)
Concentrac ión Ac Benzoico
0,0275
0,2%
0,0440
5,37
0,2%
0,0687
8,39
Solubilidad Ac Benzoico en Agua (g/L)
0,4%
0,0875
10,7
0,4%
0,150
18,3
3,36
0,6%
0,128
15,6
0,6%
0,336
41
Solución Patrón
Tabla 4: Concentración y solubilidad del Ácido Benzoico
en las diferentes soluciones patrón y TW
Gráfica 1: solubilidad aparente del ácido benzoico en agua.
TW®60
Concentración Ac Benzoico en Micelas (M)
TW®80
Concentración Ac Benzoico en Micelas (M)
0,2%
0,0165
0,2%
0,0410
0,4%
0,0600
0,4%
0,1225
0,6%
0,1005
0,6%
0,3085
Tabla 5: Concentración de Ácido Benzóico dentro de las Micelas
Gráfica 2: concentración de ácido benzoico contenido en las
micelas
El objetivo de las pre-titulaciones fue determinar la cantidad y concentración óptima de los reactivos a ser usados en las valoraciones con el fin de usar un volumen de titulante mayor a 5 mL para mantener el margen de error de la bureta por debajo del 1% (±0.05) (véase Tabla 1). De esta manera se determinó para la titulación mantener la concentración de titulante (NaOH 0.1N) y aumentar moderadamente el volumen de las mezclas problemas y la solución patrón (véase Tablas 2 y 3). La concentración de tensoactivo (TW) es una variable importante en la capacidad de solubilidad debido a que se relaciona directamente con el número de micelas estables que se forman las cuales, van a encapsular el soluto aumentando considerablemente la solubilidad del mismo en el solvente (véase Gráfica 1). De esta forma se pueden discriminar dos concentraciones, una concentración total de soluto en agua , la cual se relaciona directamente con la solubilidad aparente (tabla 4); y la concentración de ácido benzoico que se encuentra dentro de las micelas (tabla 5). Por esta razón, y basado en los datos experimentales se determina que a mayor concentración de tensoactivo, mayor concentración de ácido dentro de las micelas y por tanto mayor será la solubilidad aparente del ácido benzoico. Sin embargo para que esto ocurra debe superarse la CMC (Concentración Micelar Crítica) ya que en este punto el tensoactivo agregado es capaz de formar micelas que ayudan al proceso de solubilidad. Comparando los tensoactivos usados resulta claro que el Tw 80 tiene una mayor capacidad de solubilización y por tanto un CMC menor (véase Gráfico 1), esta propiedad se relaciona directamente con el ácido graso predominante asociado al sorbitan del tensioactivo que para dicho caso es el monooleato, que se diferencia del TW 60 por las insaturaciones que este no posee. 3
Conclusión: Después de superar la concentración micelar Crítica (CMC), se observa que a mayor concentración de surfactante la solubilidad aparente del soluto (ácido benzoico) aumenta por una disminución en la tensión superficial entre fases, debido a que existe una mayor posibilidad de formar más cantidad de micelas que permiten un medio apto para la solubilización de ácido benzoico.
Adicionalmente, se observa que cualquier mínima diferencia entre la estructura de los tensioactivos puede afectar sus propiedades derivadas.
Agradecimientos A la Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Ciencias, Dpto de Farmacia y al laboratorio de Farmacotecnia, por brindarnos las instalaciones, reactivos y materiales y al profesor Fleming Martínez por su guía en el desarrollo de la práctica. Conflictos de interés Declaramos que con el trabajo realizado, nuestra intención es puramente académica, no intentamos agredir, ni generar problema alguno, además de no tener ninguna especie de conflicto con otros investigadores. Referencias 1. Gennaro, A. R. (2003). Remington farmacia (Vol. 2). Ed. Médica Panamericana.p. 359. 2. Acofarma S.A. Fichas de Información Técnica: Tween. Recuperado el 13 de octubre de 2016 de: http://www.acofarma.com/admin/uploads/descarga/4086-13a7fe07629597df9e0d232a7707d1 1bf48fb03b/main/files/Tween.pdf 3. Gennaro, A. R. (2003). Remington farmacia (Vol. 2). Ed. Médica Panamericana.p. 362-363.
Anexos : CÁLCULOS Concentración Ácido Benzoico mmol 1 m L de titulante × 0.1mL × mL de solución ●
Solubilidad Aparente concentración AB × P M (122, 12 g /mol ) Concentración Ácido Benzoico encapsulado [ AB total ] − 0, 0275([] en la solución saturada) ●
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Monografías de las Sustancias Utilizadas: Cimpa s.a.s Insumos y tecnología para la industria alimentaria
-TWEEN 60 Descripción Es el producto de la condensación de aproximadamente 20 moles de Óxido de etileno con Canarcel 60 lográndose un producto en forma de gel o líquido viscoso color amarillo, de sabor amargo. El Tween 60 es un tenso activo no – iónico, hidrofílico, soluble en agua y en solventes polares. Es insoluble en aceite mineral y en aceites vegetales. Áreas de aplicación Se emplea en la Industria de la Panificación para mejorar el volumen, la textura, suavidad y calidad de miga de diferentes variedades de pan. En la industria cosmética, alimentos, textil y metalmecánica. Beneficios El Tween 60 es un tenso activo ampliamente recomendado en diferentes procesos de alimentación se usa solo o en combinación con otros tenso activos aportando propiedades como: incorporación de aire, ayuda a la dispersión de fases no afines, actúa manteniendo la estabilidad de diferentes tipos de emulsiones, mejora la palatabilidad de algunos alimentos. Tiene una gran aplicación en la dispersión y solubilidad de aceites esenciales en combinación con el Canarcel 60, optimiza los procesos y asegura mayor estabilidad de las emulsiones, encontrando gran aceptación en la elaboración de bebidas. Agente dispersante, humectante, modificador de viscosidad, antiestático. -TWEEN 80 Descripción El Monooleato de Polioxietileno Sorbitan, o Tween 80 es un aditivo alimentario con acción detergente: Emulsiona y disuelve las grasas. Para uso en Alimentos e identificada como Emulsificante, E-433 Miscible con agua, acetato de etilo, etanol y metanol. Insoluble en aceites grasos y en
Composición Mono estearato de Sorbitan y polietoxilado (20) Especificaciones físico-químicas •Clasificación: tenso activo no-iónico •Apariencia a 25 °C: pasta suave color amarilla •Contenido activo, %: 97.0 mínimo. •No. de Ácido: 2.0 máx. •No. de Hidroxilo: 81 – 96 •No. de Saponificación: 45 – 55 •% de Humedad: 3.0 máx. •pH al 5 %: 5.0 – 7.0 •Color Gardner: 5 máx. •% cenizas: 0.25 máx. •1.4 Dioxano, ppm: 10 máx. •impurezas orgánicas volátiles: pasa Especificaciones microbiológicas Disponible según requerimiento. Especificaciones de metales pesados Arsénico, ppm 1 máx. Metales pesados, ppm 10 máx. Datos nutricionales No aplica. Almacenamiento Mantener en lugar fresco y seco a temperatura no mayor a 50 °C. El producto a granel se recomienda almacenar en tanque de acero inoxidable. No se exponga a los rayos del sol. Embalaje Tambor por 210 kg. País de origen México.
parafina, con ácidos y bases fuertes puede dar lugar a saponificaciones. Áreas de aplicación Se utiliza en la preparación de cremas, pomadas lavables y bases de supositorios. También para emulsificar aceites y como solubilizante de aceites esenciales, vitaminas liposolubles y fenobarbital. Se
utiliza como tensoactivo de insecticidas, pesticidas y detergentes industriales. Beneficios Humectante, en cosméticos ayuda a la retención de agua en el producto facilitando su lavado, emulsionante en cosméticos e industria alimentaria. Dosis Según el producto a elaborar y su formulación. Composición Tween 80. Especificaciones físico-químicas Clasificación: tenso activo no-iónico Apariencia a 25 °C: Liquido amarillo viscoso Contenido activo, %: 97.0 mínimo. No. de Ácido: 2.0 máx.
-ÁCIDO BENZÓICO: Sinónimos: Ácido Bencenocarboxílico, Ácido Fenilcarboxílico Fórmula Molecular: C7H6O2/C6H5COOH Masa Molecular: 122,1 Nº. CAS: 65-85-0 Aspecto/Estado Físico: Polvo o Cristales Blancos Peligros Físicos: Es posible la explosión del polvo si se encuentra mezclado con el aire en forma pulverulenta o granular. Peligros Químicos: La disolución en agua es un ácido débil. Reacciona con oxidantes. Límites de Exposición: TLV no establecido.
-HIDRÓXIDO DE SODIO: Sinónimos: Soda Cáustica, Hidrato de Sodio, Sosa Fórmula Molecular:
No. de Saponificación: 45.0 – 55.0 No. de Hidroxilo: 65.0 – 80.0 Humedad, % (K.F): 3.0 máx. pH al 5 %: 5.0 – 7.0 Color Gardner: 5.0 máx. Oxido de Etileno Libre, ppm: 10 máx. Viscosidad a 25°C. cSt: 300.0 – 500.0 máx. 1,4 Dioxano, ppm: 0.25 máx. Gravedad especifica: 1.06 – 1.09 Impurezas orgánicas volátiles: pasa Especificaciones de metales pesados Arsénico, ppm 1 máx. Metales pesados, ppm 10 máx. Almacenamiento: Mantener en un lugar fresco y seco en envase hermético. Embalaje: Tambor metálico por 220 kg País de origen : Brasil.
Vías de Exposición: La sustancia se puede absorber por inhalación y por ingestión. Riesgo de Inhalación: No puede indicarse la velocidad a la que se alcanza una concentración nociva en el aire por evaporación de esta sustancia a 20°C. Efectos de Exposición de Corta Duración: La sustancia irrita los ojos, la piel y el tracto respiratorio Efectos de Exposición Prolongada o Repetida: El contacto prolongado o repetido puede producir sensibilización de la piel. La sustancia comienza a sublimarse a los 100°C
NaOH Masa Molecular: 40 Nº. CAS: 1310-73-2
Aspecto/Estado Físico: Sólido blanco e higroscópico, en diversas formas Peligros Químicos: La disolución en agua es una base fuerte que reacciona violentamente con ácidos y es corrosiva con metales tales como: aluminio, estaño, plomo y cinc, formando gas combustible. Reacciona con sales de amonio produciendo amoníaco, originando peligro de incendio. El contacto con la humedad o con el agua genera calor. Límites de Exposición: TLV: 2 mg/m³ (Valor techo) (ACGIH 2010). MAK: IIb (DFG 2009)
Vías de Exposición: Efectos locales graves Riesgo de Inhalación: Puede alcanzarse rápidamente una concentración nociva de partículas suspendidas en el aire cuando se dispersa. Efectos de Exposición de Corta Duración: La sustancia es corrosiva para los ojos, la piel y el tracto respiratorio. Corrosivo por ingestión. Efectos de Exposición Prolongada o Repetida: El contacto prolongado o repetido con la piel puede producir dermatitis.
-FENOLFTALEINA: Formula Molecular: C20H14O4 Masa Molecular: 318,327 Salud: Inhalación: los estornudos. Ojos: Leve Irritación. No irrita la piel. Ingestión: Catártico, purga, colapso, ulceraciones en la piel. Primeros Auxilios: Inhalación: Ventilación, O2, médico. Ojos: lavado abriendo y cerrando párpados. Piel: quitar exceso y lavar. Ingestión: Inducir vómito, no suministrar nada. Propiedades: Estado líquido. Color Amarillo pálido. Inodoro. Pto ebullición: 262,5°C. Densidad: 1,277 Reactividad: Si se calienta produce CO y CO2 Riesgo: Inflamable Control de Fuego y derrames: Químico Seco, espuma o CO2. Diluir con agua.
