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UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANAIZTAPALAPA
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
AREA DE QUÍMICA ANALÍTICA
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO MICELAR DE BROMURO DECETILTRIMETILAMONIO (CTAB) EN SISTEMAS ETANOL-AGUA YACETONA-AGUA A TEMPERATURA DE 30 °C MEDIANTEDETERMINACIONES CONDUCTIMETRICAS
[C16 H33 N (CH3)3] + Br -
BROMURO DE CETILTRIMETIL AMONIO (CTAB)
PRESENTAMA. DE LOURDES SEGURA LEON
DRA. MA. TERESA RAMÍREZ SILVAASESOR
DRA. SILVIA SOLIS MENDIOLACORDINADORA DE LA
LICENCIATURA EN QUÍMICA
ABRIL 2004
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INDICE
INTRODUCCIÓN............................................................................................. 3 CARACTERÍSTICAS GENERALES Y COMPORTAMIENTO DE LOS
SURFACTANTES..........................................................................................4
ESTRUCTURA Y FORMA MICELAR ........................................................6
CONDUCTIVIDAD........................................................................................7
Constante dieléctrica....................................................................................7
Preparación de soluciones ............................................................................8
Equipo...........................................................................................................8
Determinación de la constante de celda conductimétrica ............................9
Determinación de Conductividad de los sistemas CTAB – Etanol - Agua
y CTAB - Acetona - Agua .........................................................................10
RESULTADOS .................................................................................................11
Sistemas CTAB Etanol Agua..........................................................................11
Sistemas CTAB Acetona Agua .....................................................................14
Conclusiones ......................................................................................................20
3
INTRODUCCIÓN
Recientemente las micro emulsiones han atraído un interés considerable, debido a
sus potenciales aplicaciones, principalmente, en la recuperación de aceites
terciarios. Estos sistemas se hacen generalmente de agua (o salmuera),
surfactante, co-surfactante, y aceite. Aparecen como monofásicos, estables y
transparentes, o levemente translucidos. La naturaleza de las micro emulsiones y
el origen de su estabilidad sigue siendo una materia de discusión. Asimismo, el
papel del co-surfactante sigue siendo confuso. En la mayoría de los casos el co-
surfactante es un alcohol de cadena de longitud corta a media. en realidad , se
creyó que las micro emulsiones no se podrían obtener en ausencia de alcoholes.
Desde un punto de vista práctico, los alcoholes se han utilizado en la recuperación
de aceites terciarios ya que ellos originan una disminución grande de la
viscosidad del sistema micelar usado en estos procesos. Por otra parte aceleran
fuertemente la velocidad a la cual estos sistemas alcanzan el equilibrio en una
gama polifásica y aparece una disminución de la adsorción de surfactantes en los
poros de las rocas en el yacimiento de petróleo, aumentando de tal modo la
eficiencia y disminuyendo el costo del proceso de recuperación del aceite
terciario. Desde un punto de vista fundamental, la aproximación de micro
emulsiones a fenómenos poli críticos ha conducido a algunos autores a sugerir
que la formación y la estabilidad de micro emulsiones pudieron en parte ser el
4
resultado de su carácter dinámico realzado por la presencia del alcohol. Estos
hechos explican porqué la comprensión del efecto de alcoholes en las
características de los sistemas micelares es actualmente tema de numerosas
investigaciones. de hecho, tales estudios constituyen un paso necesario hacia el
esclarecimiento del papel que juegan los alcoholes en las micro emulsiones. Es
por eso que creemos que vale la pena realizar un estudio cualitativo del efecto de
etanol y acetona en soluciones micelares mediante determinaciones conductime-
tricas.
CARACTERÍSTICAS GENERALES Y COMPORTAMIENTO DE LOS
SURFACTANTES
Los agentes de superficie activa tienen una estructura molecular característica
que consiste de un grupo estructural que tiene poca afinidad por el solvente,
conocido como grupo hidrofóbico, junto con un grupo que tiene fuerte atracción
por el solvente, llamado grupo hidrofílico. Esta estructura es conocida como
anfifática. Cuando un agente de superficie activa o surfactante es disuelto en un
solvente, la presencia del grupo hidrofóbico en el interior del solvente puede
causar distorsión en la estructura del solvente líquido aumentando la energía
libre del sistema. En una solución acuosa de un surfactante esta distorsión
causada por el grupo hidrofóbico del surfactante y el incremento resultante de la
energía libre del sistema cuando este es disuelto, favorece la concentración de las
5
moléculas de surfactante en la superficie formando el área de tensión superficial.
Por otro lado la presencia del grupo hidrofílico impide que el surfactante sea
expulsado completamente del solvente como una fase separada.
La estructura anfifática del surfactante causa por lo tanto no solo la
concentración del surfactante en la superficie y reducción de la tensión
superficial del agua, sino también orientación de la molécula en la superficie con
sus grupos hidrofílicos en la fase acuosa y sus grupos hidrofóbicos orientados
lejos de esta.
Dependiendo de la naturaleza del grupo hidrofílico los surfactantes se clasifican
de la siguiente manera:
Aniónicos. La porción de la superficie activa de la molécula lleva una carga
negativa (RC6H4SO3-Na+)
Catiónicos. La porción de la superficie activa tiene carga positiva RN(CH3)3+Cl-
Zwitterionic (anfótericos) pueden estar presentes ambas cargas positiva y
negativa en la porción de superficie activa (RNH2CH2COO aminoácidos de
cadena larga) actúan dependiendo del medio en que se encuentren,
No iónicos. La porción de superficie activa no lleva carga iónica aparente
(RCOOCH2CHOHCH2OH) se disuelven, pero no se disocian en agua. Esta clase
de surfactantes posee propiedades hidrófilas que dependen de los grupos poli
funcionales que forman enlaces de hidrógeno.
6
ESTRUCTURA Y FORMA MICELAR
La forma de las micelas producidas en medio acuoso es importante para la
determinación de propiedades de las soluciones de surfactantes, tales como
viscosidad, capacidad de solubilizar material insoluble en agua, y punto de
vaporización.
Actualmente, la forma esférica es aceptada como la estructura general de las
micelas. Sin embargo, cambios en la temperatura, concentración de surfactante,
aditivos en la fase líquida, y grupos estructurales pueden causar cambios en el
tamaño, forma, y número de agregación de las micelas, variando la forma de las
micelas iónicas en una secuencia esférica- cilíndrica - hexagonal - laminar.
En medio no polar la estructura de la micela es similar pero inversa, con las
cabezas hidrofílicas comprimiendo la región interior rodeada por una región
externa que contiene los grupos hidrofóbicos y el solvente no polar.
7
Figura 1.Estructura de las micelas dependiendo de la concentración del surfactante
CONDUCTIVIDAD
La Conductividad electrolítica es una expresión numérica de la capacidad de una
solución para transportar una corriente eléctrica. Esta capacidad depende de la
presencia de iones, de su concentración total, de su movilidad, valencia y
concentraciones relativas, así como de la temperatura. La determinación de
conductividad es de gran importancia pues da una idea de la cantidad de iones
presentes en la solución así como del número de micelas y la forma de estas
Constante dieléctrica. Medida de la polaridad del disolvente. Facilidad del
medio de reacción para acomodar especies cargadas.
Disolvente Constante Dieléctrica (Debys) a 25 °C
Agua [H2O] 81
Etanol [CH3CH2OH] 24.3
Acetona [(CH3)2CO] 20.7
8
DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO
Preparación de soluciones
En la preparación de soluciones del sistema CTAB-Etanol-Agua y CTAB -
Acetona -Agua se utilizaron las siguientes substancias:
CTAB [C16 H33 N(CH3)3]+ Br - (bromuro de cetil-trimetil-amonio) PM 364.46
g/mol marca Merck de pureza del 99%, Etanol al 96% , acetona al 99% y agua
desionizada.
En un vaso de precipitados de 100 ml se pesó, en una balanza analítica, la
cantidad necesaria de CTAB para preparar soluciones al 4.5 %, 7.5 %, 10 % y
12 % en peso. Sobre el sólido se agregó, el volumen necesario de etanol o
acetona para lograr el porcentaje en peso de interés. Posteriormente, se agregó el
volumen necesario de agua desionizada para completar el 100% en peso de la
solución. Estos componentes se mezclaron, con un agitador magnético, hasta
lograr la homogeneización del sistema.
Equipo
Las mediciones de Conductividad se realizaron con un CONDUCTIVITY
METER, CDM230, METER LAB, RADIOMETER COPENHAGE Y UNA
CELDA CONDUCTIMÉTRICA DE 4 POLOS, CONDUCTIVITY CELL, 4 -
POLES, CDC 865, RADIOMETER COPENHAGE.
9
Determinación de la constante de la celda conductimétrica
La determinación de la constante de la celda conductimétrica se realizó con
solución de KCl 0.02 M, la cual a 30°C debe tener una conductividad de 3.036
mS/cm. La solución se colocó en una celda de vidrio, que se conecto a un baño
térmico, con el cual se impuso una temperatura de 30 °C. Se colocó la tapa de la
celda de vidrio y se introdujo en la solución un censor de temperatura y la celda
conductimétrica, se burbujeó Nitrógeno a la solución para eliminar el dióxido de
carbono disuelto ya que este afecta la conductividad; y se taparon los orificios
restantes de la celda, asimismo la solución se puso en agitación. El sistema se
dejo así durante 30 minutos, y se calibró, esto es se ajustó el valor de la
conductividad de KCl 0.02 M al valor teórico de 3.036 mS/cm a 30°C.
Una vez que se alcanzo el valor de conductividad requerido, se realizaron
mediciones de conductividad, en función del tiempo, de la solución de KCl
obteniendo de esta forma la constante de celda conductimétrica para cada uno de
los sistemas propuestos.
10
Figura 2.Conductividad en función del tiempo de la solución de KCl 0.02 M
En la figura 2 se presenta la respuesta de la conductividad en función del tiempo
de la soluciones de KCl 0.02 M para la determinación de la constante de celda
conductimétrica de los sistemas CTAB /Etanol /Agua en concentración de
CTAB de 7.5%, 10% y 12% en peso respectivamente. En esta figura observamos
que la conductividad se mantuvo prácticamente constante en este intervalo de
tiempo; obteniéndose constantes de celda muy cercanas entre si para cada uno
de los experimentos realizados. Estos valores de constante de celda
conductimétrica fueron usados para la corrección de datos de conductividad en
cada uno de los experimentos realizados.
Calibracion con KCL 0.02 M
2.90
3.00
3.10
3.20
0 10 20 30 40
tiempo [seg]
Con
duct
ivid
ad[m
S/cm
] K 1.1851 cm-1
K 1.1621 cm-1
1.1891 cm-1
11
Determinación de Conductividad de los Sistema CTAB-Etanol-Agua y CTAB-
Acetona-Agua.
Una vez que se determinó el valor de la constante de celda conductimétrica se
midieron las conductividades de las soluciones preparadas de los sistemas de
interés (CTAB/ Etanol/ Agua y CTAB/ Acetona/ Agua).
El procedimiento utilizado para realizar las mediciones de conductividad fue
similar al que se describió en la sección de calibración, es decir, la solución se
colocó en una celda de vidrio, se conecto a un baño térmico, con el cual se impuso
la temperatura de 30°C. Se coloco la tapa de la celda de vidrio y se introdujo en la
solución un censor de temperatura y la celda conductimétrica, se burbujeó
nitrógeno y se taparon los orificios restantes de la celda, asimismo, la solución se
puso en agitación. Se midió la conductividad de cada solución por intervalos de 5
minutos durante media hora.
RESULTADOS
Los resultados que se muestran a continuación son el promedio de las
determinaciones conductimétricas realizadas para cada uno de los sistemas
estudiados los cuales se realizaron a diferentes concentraciones de CTAB y
Etanol o Acetona en presencia de Nitrógeno y a temperatura controlada de 30° C.
Sistemas CTAB - Etanol – Agua
12
Tabla 1Conductividad promedio en función de la cantidad de etanol presente en cada unade las soluciones de los sistemas CTAB /Et-OH /Agua medidas a 30 °C y enpresencia de Nitrógeno.
CTAB 4.5% 7.5% 10% 12%% Et-OH k[mS/cm] k[mS/cm] k[mS/cm] k[mS/cm]
0.0 3.006 5.236 6.902 8.2395.0 3.015 5.239 6.924 8.404
10.0 3.047 5.125 6.828 8.33015.0 2.970 4.988 6.654 8.07520.0 2.902 4.912 6.484 7.82625.0 2.978 4.908 6.344 7.67030.0 3.063 4.905 6.251 7.42140.0 3.053 4.739 6.018 6.91250.0 2.846 4.349 5.342 6.13760.0 2.562 3.915 4.665 5.33670.0 2.261 3.365 3.957 4.429
Figura 3. Conductividad promedio en función del % en peso de Etanol presenteen los sistemas CTAB /Et-OH /Agua a 30 °C. y con burbujeo de Nitrógeno
CTAB/ Et-OH /Agua
2.02.83.64.45.26.06.87.68.49.2
0 20 40 60 80
% Etanol
Cond
uctiv
idad
[mS
/cm
]
CTAB 4.5%
CTAB 7.5%
CTAB 10%
CTAB 12%
13
Figura 4. Conductividad en función del por ciento en peso de CTAB atemperatura de 30° C y en presencia de Nitrógeno.
Las figuras 3 y 4 muestran los resultados obtenidos de las determinaciones
conductimétricas realizadas para los sistemas CTAB /Et-OH/ Agua. En ambas
figuras se observa un incremento en la conductividad con el incremento de la
concentración de CTAB. En la figura 3 observamos dos máximos principalmente
en la curva que representa el sistema que contiene el 4.5 % de CTAB. El
primero en aproximadamente el 10% de Etanol y el otro en el 40 %. El primer
máximo se debe a que al agregar alcohol a la solución este incrementa la
solubilidad del surfactante provocando un incremento en el número de iones
presentes en solución. Después observamos un incremento en la conductividad
CTAB * ET-OH * Agua
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
4 6 8 10 12 14
% CTAB
Con
duct
ivid
ad[m
S/cm
]
0.0%Et-OH 5.0 10.015.0 20.0 25.030.0 40.0 50.060.0 70.0
14
debido a que el alcohol penetra la micela lo cual hace que el tamaño de la
micela de forma esférica se incremente dando como resultado un aumento en los
valores de conductividad y la deformación de la micela esférica. estos cambios
en el comportamiento de las curvas de conductividad vs % de Etanol se deben
probablemente a cambios estructurales en las micelas debidos al efecto del
alcohol en la solución surfactante.
En la figura 4 las pendientes de las rectas que representan los sistemas
surfactantes que contienen de 5 a 30 % de contenido de alcohol en la solución se
encuentran ligeramente por encima de la recta que representa el sistema acuoso
(0% de Etanol) cuando el sistema surfactante alcanza el 40 % de alcohol, las
pendientes de las rectas disminuyen y se encuentran por debajo de la solución que
no contiene alcohol. O sea que la conductividad disminuye con el incremento en
la cantidad de alcohol y surfactante.
Sistemas CTAB-Acetona-Agua.
Calibración del equipo para la determinación de conductividad de los sistemas
CTAB/ Acetona/ Agua a temperatura controlada de 30 °C y en presencia de
Nitrógeno.
15
Figura 5. Conductividad de KCl 0.02 M en función del tiempo
La figura 5. muestra los valores de las constantes de celda conductimétricas para
los sistemas CTAB /Acetona /Agua en concentración de CTAB de 4.5%, 7.5%,
10% y 12% en peso respectivamente en esta figura se observa que la
conductividad se mantiene prácticamente constante en este intervalo de tiempo;
obteniéndose constantes de celda muy cercanas entre si para cada uno de los
experimentos realizados; las cuales se utilizaron para realizar las correcciones
correspondientes a los valores de conductividad obtenidos en las determinaciones
conductimétricas realizadas a cada uno de los sistemas en estudio.
Calibracion con KCl 0.02 M
2.90
3.00
3.10
3.20
0 10 20 30tiempo [seg]
Cond
uctiv
idad
[mS/
cm] K 1.1817 cm-1
K 1.1921
K 1.1909
K 1.1850
16
Tabla 2. Conductividad en función de la cantidad de Acetona presente en lassoluciones para los sistemas CTAB /Acetona /Agua a 30 °C y con burbujeo deNitrógeno.
CTAB 4.5% 7.5% 10% 12%% (CH3)2CO k[mS/cm] k[mS/cm] k[mS/cm] k[mS/cm]
0 3.077 5.259 6.995 8.1315 3.426 5.836 7.806 9.401
10 3.648 6.186 8.279 9.90915 3.855 6.384 8.732 10.29720 4.098 6.746 8.922 10.58425 4.370 6.985 9.205 10.80730 4.612 7.392 9.569 10.95935 4.808 7.458 9.703 11.07340 4.870 7.541 9.528 11.04450 4.859 7.565 9.528 9.98960 4.715 7.109 8.498 9.59365 6.45470 4.313 6.154 7.312 7.88980 4.055 5.405
Figura 6. Conductividad promedio en función del por ciento en peso de Acetonapara los sistemas CTAB-Acetona –Agua a 30 °C con burbujeo de Nitrógeno
Sistema CTAB-Acetona-Agua
02468
1012
0 20 40 60 80 100% Acetona
Cond
uctiv
idad
[mS/
cm]
CTAB 4.5%
CTAB 7.5%CTAB 10%CTAB 12%
17
Figura 7 Conductividad en función del por ciento en peso de surfactante para lossistemas CTAB/ Acetona/ Agua
Las figuras 6 y 7 representan los valores de Conductividad en función de la
concentración (% en peso) de Acetona y CTAB respectivamente. Las dos
graficas muestran un incremento en los valores de conductividad con el
incremento en la concentración de CTAB. Además un incremento en la
conductividad para cada uno de los sistemas estudiados con el aumento en la
concentración de acetona hasta que la concentración de acetona es del 40% en
la figura 6 se observa un máximo en los valores de conductividad en
CTAB * Acetona * Agua
0
2
4
6
8
10
12
4 6 8 10 12 14% CTAB
Con
duct
ivid
ad [m
S/cm
]
0 %Acetona 5 10 1520 25 30 3540 50 60 70
18
aproximadamente el 40% en peso de Acetona mientras que en la figura 7 se
observa un cambio en la pendiente de la recta que representa la solución que
contiene el 50% de acetona cuando la concentración de CTAB es del 10% y
cuando la cantidad de acetona se incrementa al 60 y 70 % el cambio en la
pendiente se produce a la concentración de CTAB de 7.5% también a partir de
que la solución alcanza el 50 % de acetona observamos una disminución de los
valores de conductividad con respecto a las rectas que representan los sistemas
con menor contenido de acetona y cuando se tiene la solución con el 70 % de
acetona la conductividad de la solución con 12 % de CTAB es menor que la
observada para las soluciones acuosas. Estos cambios en el comportamiento de
las soluciones en presencia de acetona se deben a cambios en la solubilidad
del surfactante y a la disminución de la constante dieléctrica del sistema. Durante
el experimento obsérvanos que después de agregar el 50 % de acetona a la
solución esta se vuelve más viscosa y observamos que cuando la cantidad de
acetona llega al 70 u 80 % del volumen agregado la solución de CTAB
adquiere una textura como de gel o como si la solución estuviera sobresaturada
principalmente en los sistemas con concertación de CTAB alto; lo cual impide
hacer las determinaciones conductimétricas por encima de estas concentraciones
de acetona. Estas observaciones sugieren que la solubilidad del surfactante
disminuye con el incremento en la concentración de acetona.
19
Figura 8 Conductividad de los sistemas CTAB /Etanol /Agua y CTAB /Acetona/Agua en función de la cantidad de Etanol o Acetona presente en el sistema.
La figura 8 muestra las graficas de Conductividad Vs. Concentración de
Alcohol o Acetona (% en peso) para cada uno de las sistemas estudiados. En esta
figura se aprecia una clara diferencia entre las soluciones que se prepararon
con Etanol y las soluciones preparadas con Acetona Como se puede ver en la
figura 8, la conductividad para los dos sistemas estudiados se incrementa con el
aumento de la concentración de CTAB. Sin embargo hay una notable diferencia
CTAB/Et-OH/H2O y CTAB/Acetona/H2O
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
% Et-OH/ Acetona
Con
duct
ivid
ad [m
S/cm
]
Et-OH 4.5% Acetona 4.5% Et-OH 7.5% Acetona 7.5%Et-OH 10% Acetona 10% Et-OH 12% Acetona 12%
20
dependiendo del solvente que se utilice en la preparación de las soluciones. las
soluciones preparadas con acetona la cual tiene una constante dieléctrica menor,
tiene un comportamiento en el cual la conductividad de la solución se incrementa
de manera constante hasta que se alcanza un equilibrio entre los dos solventes
agua y acetona cuando la concentración de acetona es mayor a la de agua la
conductividad empieza a disminuir de la misma forma en la que se incremento.
Por otra parte las soluciones preparadas con alcohol muestran un muy pequeño
incremento al inicio de las determinaciones y luego un descenso de la
conductividad. Se puede apreciar también en la solución que contiene el 4.5% en
peso de CTAB, dos máximos en la curva de Conductividad vs. % Etanol los
cuales no son tan claros en las soluciones que contienen una mayor cantidad de
CTAB.
Conclusiones
Es claro en todas las graficas que se muestran arriba que los valores de
conductividad aumentan con el incremento en la concentración de surfactante.
Sin embargo las marcadas diferencias en las curvas de conductividad vs. % de
Etanol o Acetona son el resultado del cambio en la constante dieléctrica del co-
solvente. En el sistema CTAB Acetona Agua las graficas muestran el
incremento en la conductividad hasta alcanzar un equilibrio entre los dos solventes
21
utilizados agua y acetona este máximo que se observa en estos sistemas puede ser
el resultado de un incremento en la solubilidad del surfactante produciendo un
mayor numero de micelas lo que conduce al incremento en la conductividad de la
solución. Por otra parte también la acetona por tener una constante dieléctrica
baja, es posible que penetre en el interior de la micela provocando que esta
aumente su tamaño y cuando la concentración de acetona presente en la solución
es mayor a la concentración de agua, la micela se invierte ocasionando la
disminución de la conductividad además de que la solubilidad del surfactante
disminuye.
En los sistemas preparados con CTAB Etanol Agua. Se observa principalmente
en los sistemas con menor cantidad de surfactante dos máximos. el primero se
debe al aumento en la solubilidad del surfactante lo que genera un mayor numero
de micelas en forma de monómeros incrementando la conductividad de la
solución. Por otra parte, al amentar el numero de micelas la viscosidad de la
solución aumenta lo que ocasiona una menor movilidad de los iones y por
consiguiente una disminución de la conductividad. Con el aumento en la
concentración de alcohol, este penetra en la micela la cual aumenta su tamaño y
con ello aumenta la conductividad. Este es el segundo máximo; a medida que se
incrementa la cantidad de alcohol en la solución, la conductividad disminuye
indicando una transición de las micelas esféricas a cilíndricas o en forma de barras
22
durante estos cambios la conductividad de la solución disminuye debido a que las
estructuras que se forman son mas grandes y hay menos movilidad los iones
presentes en solución.
Creo que este trabajo da pie para la realización de otros experimentos que nos
ayuden a comprender mejor el comportamiento de los sistemas micelares pues
como se demostró en las graficas que se obtuvieron de las determinaciones
conductimétricas cambios muy pequeños en la estructura del disolvente así como
en la constante dieléctrica del mismo conducen a importantes modificaciones en
el comportamiento micelar.
Bibliografía
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