UFPE | CTG
27, 28 e 29 de outubro de 2009
XVII Congresso de Iniciação Científica
I Congresso de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação
ESTUDO DA CONCENTRAÇÃO MICELAR CRÍTICA DE
SURFACTANTES POR ESPECTROSCOPIA DE IMPEDÂNCIA
Maelyson Rolim Fonseca dos Santos1; Celso Pinto de Melo2
1
Estudante do Curso de Licenciatura em Física- CCEN – UFPE; E-mail: [email protected],
2
Docente/pesquisador do Depto de Física – CCEN – UFPE. E-mail: [email protected].
Sumário: Surfactante é um composto capaz de alterar as propriedades superficiais e
interfaciais de um líquido. A sua organização na forma de micelas, a partir de uma
determinada concentração relativa limite (concentração crítica micelar, CMC), é uma das
suas principais caracteristicas. Este trabalho foi dedicado à determinação da CMC dos
surfactantes dodecil sulfato de sódio (SDS) e dodecil sulfato de lítio (LDS) através da
espectroscopia de impedância.
Palavras–chave: CMC; espectroscopia; impedância; surfactantes
INTRODUÇÃO
Surfactantes, do inglês ‘surface active agent’, abrangem uma importante classe de
produtos dentro da indústria química e farmacêutica. Além de serem essenciais na
composição de emulsões, suspensões, microesferas e aerossóis, os surfactantes se
constituem na base da ação dos detergentes. Os surfactantes são moléculas orgânicas cuja
principal característica é ter em sua estrutura duas regiões quimicamente distintas, uma
hidrofóbica e outra hidrofílica. A região hidrofóbica (apolar) é normalmente constituída por
cadeias hidrocarbonadas alquílicas, e a região hidrofílica (polar) é formada essencialmente
por grupos iônicos (catiônicos ou aniônicos), não-iônicos ou zwiteriônicos (anfóteros).
Quando em concentrações baixas, tais moléculas são solúveis em água, formando soluções
simples, e tendem a se localizarem na interface solução-ar, com os grupos-cabeça
mergulhados na solução e a cauda hidrofílica exposta ao ar. Havendo aumento na
concentração, ocorre à saturação da adsorção do surfactante na interface água-ar e, na
solução, os surfactantes se agregam em grupos chamados micelas, com núcleo formado
pelas caudas e ‘casca’ constituída pelos grupos cabeça. A concentração acima da qual a
presença de micelas é detectável é denotada por concentração micelar crítica (CMC).
Assim, ao ocorrer a CMC passamos a ter mudanças perceptíveis sobre varias das
propriedades físicas do meio, tal como a tensão superficial da solução e também em suas
propriedades elétricas. A espectroscopia de impedância (EI) é sensível a essas alterações
nas propriedades elétricas da interface eletrodo/solução. A impedância, Z, pode ser definida
como a razão entre o potencial (V) e a corrente (i) em circuitos de corrente alternada. Essa
grandeza é complexa (Z=Z'+jZ’’), estando sua parte real ligada às características resistivas
e a parte imaginária à capacitância da solução. Neste trabalho, a espectroscopia de
impedância foi usada como uma nova abordagem capaz de permitir a identificação da
CMC de surfactantes com sensibilidade de detecção comparável a dos métodos físicoquímicos tradicionais, tal como a variação da tensão superficial.
MATERIAIS E MÉTODOS
Montou-se um sistema convencional de dois eletrodos (área 5,25 cm2) imersos em uma
célula de vidro com capacidade para 25 mL e conectados ao analisador de impedância
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Solartron 1260 (UK) para uma varredura partindo de altas para baixas freqüências (1 MHz
a 0,1 Hz). Antes de cada série de medidas os eletrodos foram lavados com água obtida pelo
sistema MilliQ-plus, em seguida, imersos em ácido nítrico concentrado por 05 minutos e
por fim novamente lavados com água MilliQ-plus. Após dispor tais eletrodos verticalmente
na célula contendo 20 mL de água deionizada, adicionou-se uma alíquota de 100 µL de
uma solução concentrada do surfactante dodecil sulfato de sódio (Sigma-Aldrich, 99%) e
efetuada a varredura nas frequências supracitadas. Terminada essa medida uma alíquota era
retirada da solução em teste (ST) e adicionada novamente outra alíquota da solução
concentrada do surfactante (solução mãe, SM). Tendo-se concluído todas as adições
desejadas, o valor de Z’ foi medido como função da concentração e representado em um
plano cartesiano. O mesmo procedimento foi repetido para o surfactante dodecil sulfato de
lítio (LDS).
RESULTADOS
Sucessivas medidas com crescente concentração de SDS em solução mostraram a redução
no raio do semicírculo no gráfico de Nyquist (Figura 01).
Figura 01– Gráfico Nyquist (Z' versus Z'') para diferentes concentrações de SDS.
Dispondo o valor de Z' para a frequência de 1MHz versus a concentração de SDS,
observou-se o declínio dessa parte real com o aumento na quantidade de surfactante no
meio; além disso, é perceptível uma clara quebra na inclinação dessas retas no ponto cujo
valor da concentração era 8,01 mM (Figura 02).
Figura 02 – Z' versus Concentração de SDS.
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Observou-se comportamento semelhante para o surfactante dodecil sulfato de lítio, que
apresentou a quebra em 8,81 mM (Figura 03), valor próximo ao encontrado na literatura
para a CMC desse surfactante.
Figura 03 – Z' versus concentração de LDS.
DISCUSSÃO
Ao analisar a resposta elétrica da solução quando variada a concentração de surfactantes no
meio observou-se claramente a diminuição no valor de Z' com o aumento de SDS em
solução. Como Z' está relacionada à resistência, esse resultado se mostra consistente e até
mesmo esperado, uma vez que o aumento no número de moléculas dispersas no meio deve
facilitar a passagem de corrente, reduzindo assim a resistência da solução. Ao acompanhar
esse decréscimo da parte real da impedância para uma frequência fixa (1MHz), pode-se
notar a diferença entre as inclinações das retas antes e depois de um valor especifico de
concentração. Quando comparado a literatura, esse valor da concentração se mostrou em
excelente concordância com os valores de CMC dos surfactantes estudados: 8,01 para o
SDS e 8,81 mM para o LDS. Essa quebra pode ser entendida, pois ao passar pela
concentração crítica ocorre uma reorganização das moléculas na solução e a formação de
micelas. Com sua estrutura esférica, as micelas contribuem para um aumento pronunciado
na capacitância do sistema, o que é acompanhado pelo decréscimo na resistência. Neste
trabalho verificou-se então que o termo referente à capacitância no regime de altas
frequências apresenta uma descontinuidade em sua derivada justamente na região da CMC
de cada surfactante. Esse aumento na derivada da capacitância como função da
concentração indica que a monitoração das propriedades elétricas de uma solução pode
fornecer uma maneira alternativa de determinar a CMC de surfactantes.
CONCLUSÕES
Através da espectroscopia de impedância foi possível a determinação da concentração
micelar crítica dos surfactantes SDS e LDS. Uma vez estabelecida a confiabilidade desse
método, passamos a uma nova etapa do trabalho, em que a espectroscopia de impedância
será utilizada para a determinação da CMC de outros surfactantes e no estudo de um
possível comportamento universal dos surfactantes.
AGRADECIMENTOS
Ao grupo de Polímeros Não-Convencionais da UFPE e ao CNPq pelo apoio financeiro.
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REFERÊNCIAS
B. Jönsson, B. Lindman, K. Holberg e B. Kronberg, Surfactantes and polymers in aqueous
solutions, John Wiley & Sons, New York, 1998.
J.R. Macdonald, Impedance Spectroscopy, John Wiley & Sons, Nova York, 1987.
Martins-Junior, R.R. “Eletroquímica acoplada a ressonância de plásmons de superfície no
estudo de adsorção de proteína em filme fino”. Recife: UFPE, 2007. 157 p. Dissertação de
Mestrado.
Oliveira, H.P. “Espectroscopia de impedância aplicada a sistemas nanoestruturados e
polímeros condutores”. Recife: UFPE, 2004. 157 p. Tese de Doutorado.