UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS UFAL CAMPUS ARAPIRACA FÍSICA- LICENCIATURA RAFAELA DOS SANTOS

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS – UFAL

CAMPUS ARAPIRACA

FÍSICA- LICENCIATURA

RAFAELA DOS SANTOS

ANÁLISE FORMAÇÃO DE AGREGADOS EM SISTEMAS MICELARES

POR ESPECTROFOTOMETRIA UV-VISIVEL

ARAPIRACA

RAFAELA DOS SANTOS

ANÁLISE FORMAÇÃO DE AGREGADOS EM SISTEMAS MICELARES

POR ESPECTROFOTOMETRIA UV VIS

Trabalho de conclusão de curso apresentado ao curso de graduação em Física Licenciatura da Universidade Federal de Alagoas – UFAL,

Campus de Arapiraca, como requisito parcial

para a obtenção de grau de licenciado em Física.

Orientador: Prof. Dr. Emerson de Lima

Arapiraca

2018

AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeço a Deus por concluir a graduação do tão temido curso de Física Licenciatura e permitir avançar nesse curso.

Queria agradecer enormemente a minha família por todo o apoio e a confiança depositada, mas em especial a minha irmã Danila e minha mãe Neusa por todo o cuidado com o meu filho quando precisei sair para ir para a faculdade. Ao meu Pai Antônio e minhas irmãs Daniela e Maria. E agradeço mais ainda ao meu filho Pedro Henrique por ser minha fonte de inspiração e alicerce.

Agradeço ao meu orientador Professor Dr. Emerson de Lima pelo auxílio durante toda a graduação, pelo incentivos, pesquisas e puxões de orelhas quando necessário e por permitir desde de cedo meu acesso ao laboratório de pesquisa. Falo que meu orientador e muito além disso, e que se tornou um amigo devido à grande aproximação e cuidado que tem com seus orientandos, criando laços de amizades recíprocas.

Aos meus amigos de laboratório Giclenio, Patrick e Raul por ter me suportado esse tempo todo, e olhe que isso é uma missão quase impossível, pessoas essas que estarão sempre no meu ciclo de amizade pelo grande respeito adquirido e confiança depositada uns aos outros, sempre vibrando com as conquistas de cada um. A Clívia e a Pâmela que ao longo dessa graduação fomos nos aproximando e cativando uma amizade duradoura e respeitável no qual deposito toda confiança. Ao Rafael, pessoa que tive o maior prazer de conhecer, por toda a paciência do mundo comigo no caminho para casa e que assim como os demais se tornou um grande amigo. Aos meus colegas de laboratório Alberto, Neudes (cabeça de nós todos) e Henrique Lopes, embora ter convivido pouco, mas tornou os dias mais leves na UFAL devido convivência harmoniosa durante esse percurso. As meninas Cícera, Marianne, Fernanda, Denise, Marcia, Daiane e Evelyn, que apesar de nos distanciarmos,

dividimos bons momentos ao longo dessa graduação e nas tardes no mercadinho para tomar “café”.

Ao corpo docente do campus Arapiraca do curso de Física Licenciatura, foram parte essenciais para realização desse trabalho. Mas em especial ao Henrique e Lidiane por todo o apoio depositado e amizade cativada.

RESUMO

Neste trabalho, realizamos estudos experimentais da análise da formação de agregados em sistemas micelares de surfactantes por espectrofotometria de absorbância do UV-Vis. Estes compostos são caracterizados por possuírem duas regiões distintas: uma polar (hidrofílica) e outra apolar (hidrofóbica). A concentração micelar critica (CMC) caracteriza a agregação de moléculas anfifílicas em solução aquosa. O método de análise da formação de agregados em sistemas micelares utilizado teve como base a variação do espectro de absorção em função da concentração do surfactante. Para tal, utilizamos o Dodecil Sulfato de Sódio e o corante da família da rodamina, do tipo Rh6G, o motivo pelo qual utilizamos este composto foi porque o mesmo apresenta uma alta fluorescência e isto ajudou muito na observação do espectro do SDS. A técnica utilizada foi a espectrofotometria ultravioleta e visível que é um dos métodos analíticos da espectroscopia de absorção de fótons mais usados nas determinações analíticas em diversas áreas. É aplicada para determinações de compostos orgânicos e inorgânicos.

Palavras-chave: Surfactantes, Concentração Micelar Crítica e espectrofotometria de

ABSTRACT

In this work, we performed experimental studies of aggregate formation analysis on micellar surfactant systems by UV-Vis spectrophotometry. These compounds are characterized by having two distinct regions: one polar (hydrophilic) and one nonpolar (hydrophobic). The critical micellar concentration (CMC) characterizes the aggregation of amphiphilic molecules in aqueous solution. The method of analysis of aggregate formation in micellar systems used was based on the variation of the absorption spectrum as a function of the surfactant concentration. To do this, we used Sodium Dodecyl Sulfate and the rhodamine family dye Rh6G, the reason we used this compound was because it has a high fluorescence and this helped a lot in the observation of the SDS spectrum. The technique used was ultraviolet and visible spectrophotometry which is one of the analytical methods of photon absorption spectroscopy most used in analytical determinations in several areas. It is applied to determinations of organic and inorganic compounds.

Keywords: Surfactants, Micellar Concentration, Critical and UV-Vis absorbance

SUMARIO

2.4- Concentração Micelar Crítica (CMC) ---18

2.5- Dodecil sulfato de sódio (SDS) ---23

3- ESPECTROFOTOMETRIA ULTRAVIOLETA/ VISÍVEL---25

3.1- Espectrofotômetro ---26

3.1.1 fontes de radiação ---27

3.1.1.1- Tipos de fonte de radiação---27 3.1.2- Monocromadores ---27

3.1.3- Recipientes ---28

3.2- Tipos de espectrômetros para região visível e ultravioleta ---29

3.3- Espectrofotômetro utilizado no experimento ---29

4- PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ---32

4.1 – Materiais ---32

4.2- Preparação das amostras ---32

4.3- Corante ---33

5- RESULTADOS E DISCUSSÕES ---35

6- CONCLUSÃO ---39

LISTA DE FIGURAS

Figura 1- representação da distribuição de forças da molécula de água. ---12

Figura 2- Representação dos tensoativos catiônicos, aniônicos, anfóteros e não iônicos. ---14

Figura 3- Estrutura molecular de surfactantes típicos---15

Figura 4- Representação da polaridade da água. ---16

Figura 5. Estrutura molecular do surfactante SDS. ---17

Figura 6- comportamento das moléculas de surfactantes em solução aquosa aumentando a concentração---19

Figura 7- comportamento das moléculas de surfactantes em solução aquosa aumentando a concentração. ---20

Figura 8- Representação esquemática de diversos agregados. ---22

Figura 9- Molécula do surfactante. ---23

Figura 10 - Esquema dos principais componentes de um espectrofotômetro. ---26

Figura 11- cubetas utilizadas no experimento. ---28

Figura 12- Sistema ótico do espectrofotômetro usado no experimento. ---30

Figura 13- Espectrofotômetro utilizado para o experimento. ---31

Figura 14- Amostras de SDS usado no experimento. ---33

Figura 15: gráfico de absorção x comprimento de onda em dois comprimentos de onda distintos. ---35

Figura 16: gráfico de absorção x comprimento de onda. Comparação de espectros

quando mudado a sua concentração. ---36

Figura 17: a) representação da formação de micelas abaixo e acima da CMC. ---37

b) gráfico do pico de absorção em função da concentração. ---37

Figura 18: (a)Gráfico de intensidade de pico x concentração para 350 nm. --- 38

1- INTRODUÇÃO

Determinar a concentração micelar crítica (CMC) é de fundamental importância para quaisquer processos envolvendo tensoativos, pois o efeito desses compostos é maior quando uma quantidade significativa de micelas se encontra nesse processo. (SANTOS F. K.G; ALVES, 2017). A CMC dos tensoativos pode ser determinada através de mudanças bruscas no comportamento de algumas de suas propriedades físicas em soluções tais como, espalhamento de luz, condutividade elétrica, espectrofotometria de absorção e capacidade de solubilização de solutos.

Os tensoativos, também conhecido como surfactantes, são moléculas que diminuem a tensão superficial de soluções aquosas. A definição da palavra surfactante é derivado da contração da expressão inglesa surface active agent, que significa agente de atividade superficial. Os surfactantes são compostos anfifílicos, orgânicos ou organometálicos que formam coloides ou micelas em solução. As moléculas dos surfactantes possuem a capacidade de se associarem espontaneamente em solução aquosa a partir de uma determinada concentração denominada concentração micelar crítica (CMC). (Maximiniano – Tese de Doutorado USP/IQ – 2003)

O presente trabalho apresenta um estudo experimental sobre a formação de agregados micelares, utilizando a técnica de espectrofotometria de absorção UV-Vis. Para tal estudo utilizamos o composto Dodecil Sulfato de Sódio (SDS), este é classificado como surfactante aniônico, devido à carga negativa, produto do grupamento sulfato ligado à sua estrutura carbônica (SILVA, 2006).

Além do SDS, também foi utilizado o corante rodamina 6g. As rodaminas são uma família de compostos químicos orgânicos usados como corantes, conhecidas como fluoronas. Estes compostos são muito utilizados em aplicações biotecnológicas, como microscopia de fluorescência, citometria de fluxo, espectroscopia de fluorescência.

A espectrofotometria ultravioleta e visível é um dos métodos analíticos da espectroscopia de absorção de fótons mais usados nas determinações analíticas em

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diversas áreas. É aplicada para determinações de compostos orgânicos e inorgânicos. Na região do visível e ultravioleta, a absorção depende, principalmente, do número de arranjo dos elétrons nas moléculas ou íons absorventes, no qual o pico de absorção pode ser correlacionado com o tipo de ligação que existe na espécie que está sendo estudada (VINADÉ, 2006).

2- SISTEMAS MICELARES

2.1- Tensoativos

Os tensoativos, também conhecido como surfactantes, são moléculas que diminuem a tensão superficial de soluções aquosas. Tensão superficial é uma força contrativa que atua no perímetro da superfície livre para o ar e que tende a comprimi-la, ou seja, é a atração que cada molécula de agua sofre na interação com as moléculas vizinhas, sendo que cada uma tem um número a qual se atraem, tendo a sua soma vetorial nula, o que não ocorre na superfície. (MENEGHELLI, 2009). Já no que diz respeito às moléculas da superfície, elas não apresentam moléculas acima delas, portanto suas ligações de hidrogênio se restringem às moléculas ao lado e abaixo. Essa desigualdade de atrações na superfície cria uma força sobre essas moléculas e provoca a contração do líquido, causando a chamada tensão superficial, que funciona como uma fina camada, película, ou como se fosse uma fina membrana elástica na superfície da água. O agente capaz de modificar a tensão superficial da água é o tensoativos ou surfactante.

A figura 1 representa a distribuição de forças da molécula de água. As moléculas do interior do líquido se atraem mutuamente com a mesma intensidade em todas as direções e sentidos. A resultante das forças intermoleculares é neste caso nula.

Figura 1- representação da distribuição de forças da molécula de água.

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Os tensoativos compreendem a classe de substância químicas, onde uma de suas características é a capacidade em modificar algumas propriedades onde se encontram. Os tensoativos são frequentemente utilizados para modificar o meio em que há reações permitindo solubilizar espécies de baixa solubilidade ou promover um novo meio que pode modificar a velocidade reacional, a posição de equilíbrio das reações químicas e, em alguns casos, a estereoquímica destas dependendo da natureza da reação, do tipo de reativo, e do tipo e forma da micela (MANIASSO, 2001). Há uma ampla aplicabilidade dessa substância, tendo como exemplo sendo um composto fundamental para a composição de emulsões, microesferas, suspensão e aerossóis, além de ser a base para detergentes, condicionadores, molhantes, solubilizantes, anti-espumantes, desemulsificantes, etc. Também muito utilizado na área de cosméticos em geral, farmácia onde decorre devido a necessidade de solubilização de algumas aplicabilidades.

A interação de um surfactante tem dependência significativa, com o tamanho das extremidades da cadeia pela qual ele é formado, isso em virtude da afinidade que ele tenha com o meio em que está presente.

Sendo assim, temos os seguintes tipos de tensoativos:

• Tensoativo aniônico: é aquele que na região polar apresenta carga negativa. Além disso, essa região possui átomos de hidrogênio que atraem elétron dos carbonos e hidrogênios vizinhos, aumentando assim a sua negatividade dessa região, fazendo com que esses tensoativos sejam mais solúveis em água.

• Tensoativos catiônicos: é aquele que apresenta carga positiva na região polar da molécula. Uma vez que os elétrons apresentam cargas negativas, esse efeito neutraliza a carga positiva reduzindo a polaridade da região, e com isso se tornando menos solúvel em agua.

• Tensoativo anfóteros: possuem caráter iônico duplo, possuindo propriedades dos tensoativos aniônicos a altos valores de pH e dos tensoativos catiônicos a baixos valores de pH.

• Tensoativo não iônico: não fornecem íons em solução aquosa e sua hidrofilia se deve à presença, em suas moléculas, de grupamentos

funcionais que possuam forte afinidade pela água (Viana, 1994; Araújo, 1994).

A figura 2 representa os tensoativos quanto a sua classificação, de acordo com a carga apresentada pela sua porção polar quando em solução aquosa, em aniônicos, catiônicos, anfóteros e não iônicos (SILVA, 2008).

Figura 2- representação dos tensoativos catiônicos, aniônicos, anfóteros e não iônicos

Fonte: SILVA, 2008

Os grupos hidrofílicos podem diferir na sua natureza química e a região hidrofílica é altamente solúvel em água ou outros solventes polares. A figura 3 mostra a estrutura química de alguns surfactantes típicos quanto ao tipo, agente tensoativo e fórmula.

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Figura 3- Estrutura molecular de surfactantes típicos

Fonte: Tese de Doutorado E. de Lima / UFPB/ CCEN/DEF – 2010

Todos os agentes tensoativos são compostos, portanto, de moléculas que mostram duas porções estruturais distintas que manifestam tendências opostas de solubilidade, ou seja, este tipo de molécula é apolar e polar ao mesmo tempo.

2.2- Polaridade

Polaridade de uma molécula e o resultado das suas ligações químicas. Sempre foi dito que substâncias polares se dissolvem em compostos polares e que substâncias apolares se dissolvem em substâncias apolares. Um exemplo dessas substâncias, é a água que é polar e o óleo que é apolar. Mas como é definido a polaridade?

Esta definição está ligada diretamente a eletronegatividade, no qual é caracterizada pela força de atração do núcleo de um átomo aos elétrons vizinhos. Essa força depende da massa atômica e do raio dos átomos envolvidos, atua sobre todos os elétrons da vizinhança, e sobre aqueles que não estão envolvidos na própria ligação química.

Quando dois átomos de mesma eletronegatividade (mesma força de atração pelos elétrons) forma uma ligação covalente, essa ligação é chamada de ligação apolar, pois os elétrons envolvidos estão distribuídos na região próxima a cada átomo. Se apresenta diferença de eletronegatividade, a ligação pode se transformar em ligação covalente polar em que os elétrons envolvidos se deslocam, estaticamente, na direção do átomo mais eletronegativo.

Tendo como exemplo a baixo, as concentrações de cargas geram polos negativo e positivo distintos e em lados opostos, tornando a molécula de água uma estrutura polar. A imagem abaixo, ilustra a representação da concentração de moléculas da água.

Figura 4- Representação da polaridade da água.

Fonte: autor dessa monografia, 2018.

2.3- Surfactantes

A definição da palavra surfactante é derivado da contração da expressão inglesa surface active agent, que significa agente de atividade superficial. É um composto caracterizado pela a capacidade de alterar as propriedades superficiais e interfaciais, tais como ar-agua, óleo -agua e superfície de sólidos. Quando se refere ao termo interface está se referindo ao limite entre duas fases emissíveis e, quando

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se fala em superfície esta referindo que uma das fases é gasosa, geralmente o ar. (Maximiniano – Tese de Doutorado USP/IQ – 2003).

Os surfactantes são compostos anfifílicos, orgânicos ou organometálicos que formam coloides ou micelas em solução. Dizer que uma molécula é anfifílica significa que em uma mesma estrutura, apresentam regiões que se comportam de forma muito diferentes na presença de outras moléculas que possuam momento de dipolo ou não e são caracterizadas como hidrofóbicas e hidrofílicas. Nesse trabalho vamos utilizar um elemento denominado Dodecil Sulfato de Sódio (SDS) que é um bom exemplo de molécula anfifílica e que irá ser explorado mais à frente. Esse composto apresenta uma longa cadeia alquílica ligada covalentemente a um grupo iônico, sulfato de sódio.

Figura 5. Estrutura molecular do surfactante SDS

Fonte: MINATTI, 2003

Quando refere- se a compostos anfifílicos faz menção a existência de ambas regiões estruturais, ou seja, hidrofílicas que interagem fortemente com moléculas de água, essa parte da substância tensoativa, na superfície do líquido, adere as moléculas da água, quebrando suas atrações intra-moleculares, reduzindo desta forma, a tensão superficial (MINATTI, 2003). E a hidrofóbicas que interagem fracamente com a molécula de água, e constituído de uma longa cadeia carbônica, sensivelmente insolúvel em água, no entanto, solúvel em óleos e gorduras, seguidas de um maior ou menor grupo de átomos com poderosa atração pela água. A região hidrofóbica é apolar e constituída por uma cadeia hidrocarbonato. São classificados de acordo com a natureza

química da parte da hidrofílica em: aniônicos, catiônicos, não catiônicos e zwitteriônicos.

Como nestas substâncias apenas a polaridade das diferentes regiões varia enormemente, as mesmas são também denominadas de moléculas anfipáticas, heteropolares ou polar-não polares (Preston, 1948; Rosen, 1978).

2.4- Concentração Micelar Crítica (CMC)

As moléculas dos surfactantes possuem a capacidade de se associarem espontaneamente em solução aquosa a partir de uma determinada concentração denominada concentração micelar crítica (CMC) essa concentração é uma propriedade física onde tem uma importância como os pontos de fusão e ebulição ou o índice de refração de substancias e pode ser determinada por métodos como tensão superficial, condutividade e espectrofotometria. (Maniasso, N., Química Nova 24, 1 87-93 (2001)

Acima da CMC ocorre a formação de grandes agregados moleculares denominados de micelas, em soluções aquosas elas agregam-se formando uma esfera com as caudas hidrofóbicas voltadas para o seu interior e os grupos hidrofílicos, voltados para fora. Abaixo dessa concentração, o surfactante está predominantemente na forma de monômeros. A CMC depende da estrutura do surfactante e das condições do meio. As micelas são termodinamicamente estáveis e facilmente reprodutíveis.

A figura 6 está representando o comportamento do surfactante abaixo da CMC e a cima da CMC. A baixo da CMC o surfactante está totalmente na forma de monômeros. Acima da CMC está na forma de monômeros e micelas.

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Figura 6- comportamento das moléculas de surfactantes em solução aquosa aumentando a concentração.

Fonte: (Maximiniano – Tese de Doutorado USP/IQ – 2003)

A formação de micelas é acompanhada por mudanças distintas em várias propriedades físicas tais como tensão superficial, espalhamento de luz, condutividade elétrica, pressão osmótica e capacidade de solubilização de solutos.

A adição de tensoativos a água tende a saturar todas as interfaces de modo que a partir de uma concentração denominada Concentração Micelar Crítica (CMC), tem-se a saturação do meio e a formação de micelas. A micela é a configuração das moléculas com melhor estabilidade na solução, com cadeias hidrofóbicas agrupadas e a parte hidrofílica voltada para a água. (MANIASSO, 2001)

A figura 7 temos a representação do processo de formação de agregados moleculares em solução aquosa. Verificamos que este tipo de molécula apresenta coexistência de dois tipos de comportamentos oposto (hidrofílico e hidrofóbico) numa única estrutura. Em A, B e C, podemos notar que a região hidrofílica está voltada para dentro da água e a região hidrofóbica voltada para fora da água. Enquanto houver baixa concentração a estrutura estará paralela a superfície. Em D e E aumentando a concentração temos a CMC, pode-se ser notado a formação de agregados esféricos com a região hidrofílicos (cabeça) para fora e a hidrofóbica (cauda) para dentro.

Figura 7- comportamento das moléculas de surfactantes em solução aquosa aumentando a concentração.

Fonte: FELIPE, 2009

Alguns valores típicos de concentração micelar crítica (CMC) para surfactantes mais comuns.

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Tabela 1- valores típicos CMC

Tipo

Aniônico 10−3_{− 10}−2 _{𝑚𝑜𝑙/𝐿}

Catiônico 103 − 10−1𝑚𝑜𝑙/𝐿

Não iônico 10−5− 10−1𝑚𝑜𝑙/𝐿

Zwitteriônico 10−3_{− 10}−1_{𝑚𝑜𝑙/𝐿}

Fonte: Tese de Doutorado E. de Lima / UFPB/ CCEN/DEF – 2010

A micela é o agregado mais simples. O processo de formação dos agregados ocorre num intervalo pequeno de concentrações, e pode ser detectado pela variação brusca produzida em determinadas propriedades físico-químicas da solução em função da concentração do tensoativo como a tensão superficial, pressão osmótica e condutividade (MANIASSO, 2001). As micelas existem em uma dada faixa de concentração e está em equilíbrio dinâmico com os monômeros. Dois processos ocorrem neste equilíbrio dinâmico, o que pode ser denotado por dois tempos de relaxação: τ1 𝑒 τ2. O tempo τ1 caracteriza a meia vida das moléculas que substituem outros monômeros em micelas existentes, enquanto que τ₂caracteriza o tempo de meia vida para as moléculas que interagem formando novas micelas. Esse equilíbrio dinâmico também ocorre para os contra íons em solução de surfactantes iônicos (F., 2005). (Vieira, Janielma Karine dos Santos. Trabalho de conclusão de Curso-UFAL, 2014)

A forma estrutural da micela vai depender do tipo do surfactante utilizado na solução, bem como a temperatura e das interações entre os grupos polares. O formato e o tamanho das micelas são a função da geometria molecular dos surfactantes bem como das condições da solução, tais como: concentração, temperatura, Ph e força iônica.

Na figura 8 temos a representação de diversos agregados formados por moléculas anfifílicas. O formato e o tamanho das micelas são função da geometria molecular dos surfactantes.

Figura 8- representação esquemática de diversos agregados.

Fonte: Slideshare

2.5- Dodecil Sulfato de Sódio (SDS)

Ao mencionar moléculas anfifílicas, o elemento aniônico Dodecil sulfato de sódio (SDS-como vamos mencionar daqui para a frente) é um bom exemplo, no qual parte é solúvel em agua e outra não. Em solução, dadas a suas propriedades anfifílicas, o SDS tende a formar micelas a partir de uma certa concentração – uma propriedade crítica de um detergente. Neste trabalho vamos utilizar essa substancia para análises de sistemas micelares, onde a técnica utilizada é a Espectrofotometria, no qual vamos nos atentar mais frente.

A figura 9 representa a molécula do surfactante. Uma das principais vantagens desse surfactante é a elevada estabilidade como agente saponificante, sendo, no entanto, bastante sensível à presença de minerais na água (LIMA, 2010)

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Figura 9- molécula do surfactante

Fonte- Fciencias, 2013.

No laboratório de pesquisa, o SDS é usado como reagente na técnica de SDS-PAGE (eletroforese em gel de poliacrilamida com LSS), que nos fornece informações sobre a estrutura molecular de proteínas. O SDS é um composto amplamente utilizado em produtos de limpeza, tais como detergente, shampoos, e, na indústria como desengraxantes de motores, farmacêuticos, cosméticos, assim como na produção de alguns produtos como papel e polímeros. Na tabela a baixo mostra as propriedades do SDS. Tabela 2- Propriedades do SDS Propriedades Fórmula Molecular 𝐶𝐻₃(𝐶𝐻₂)₁₁𝑆𝑂₄−𝑁𝑎+ Massa Molar 288,38 g𝑚𝑜𝑙−1 Densidade 1,1 g.𝑐𝑚−3 Ponto de Fusão 204 – 207°C

Ponto de Ebulição 380°𝐶 (decomposição térmica)

Solubilidade em Água 150 g.𝑙−1 _{a 20°𝐶}

Este surfactante é produzido pela esterificação de ácido sulfúrico, seguido pela neutralização com carbonato de sódio. Sua concentração micelar crítica em água pura é ,39 mol.𝐿 1 e o número de agregação para esta concentração é aproximadamente 50. O SDS é classificado como surfactante aniônico, devido à carga negativa, produto do grupamento sulfato ligado à sua estrutura carbônica (SILVA, 2006).

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3-ESPECTROFOTOMETRIA ULTRAVIOLETA/VISÍVEL

No presente trabalho foi utilizada, para a análise da formação de sistemas micelares do surfactante aniônico Dodecil Sulfato de Sódio (SDS) a espectrofotometria de absorbância UV-Vis, fundamentada na lei de Lambert-Beer que fundamenta matematicamente as medidas de absorção de radiação eletromagnética por amostras nas regiões do espectro ultravioleta (200nm400nm) e visível (400nm-700nm). A medida de absorção de um material em um determinado comprimento de onda é dada por:

A = log (𝐼0

𝐼) = εlc (1)

onde A é absorbância, 𝐼₀ é a intensidade da radiação monocromática que incide na amostra, I é a intensidade da radiação que emerge da amostra, ε é absorvidade molar, uma grandeza característica da solução absorvente, l é o caminho ótico e c é a concentração da solução absorvente.

A espectrometria é um conjunto de recursos que nos permite identificar a estrutura das partículas que constituem as substâncias. Atualmente existem tecnologias tão avançadas que se torna possível descrever com precisão a estrutura exata de uma molécula. Os equipamentos modernos permitem detectar os tipos de elementos presentes no composto, a quantidade de cada um deles, a posição tridimensional de cada átomo e muito mais. Esses aparelhos funcionam basicamente a partir de feixes de onda eletromagnética incidentes sobre uma amostra do composto, que então, absorve energia em determinados comprimentos de onda. Os valores da energia e dos comprimentos de onda absorvidos são detectados no aparelho e transformados em um gráfico no computador. É então pela análise desse gráfico que se determina a estrutura da molécula (OLIVEIRA H. C., BINOTTI, 2005). Espectrofotometria é a medida da luz que é absorvida ou emitida por uma espécie química para estudos quantitativo e qualitativo. Onde seus máximos de absorção são as principais diferenças que se observam no espectro de substâncias diferentes.

A espectrofotometria ultravioleta e visível é um dos métodos analíticos da espectroscopia de absorção de fótons mais usados nas determinações analíticas em diversas áreas. É aplicada para determinações de compostos orgânicos e inorgânicos. Na região do visível e ultravioleta, a absorção depende, principalmente, do número de arranjo dos elétrons nas moléculas ou íons absorventes, no qual o pico de absorção pode ser correlacionado com o tipo de ligação que existe na espécie que está sendo estudada (VINADÉ, 2006). As substâncias absorvem radiações por causa dos grupos cromóforos que são grupos que apresentam absorção característica na região do ultravioleta ou do visível.

3.1-

Espectrofotômetros são instrumentos com capacidade de registrar dados de absorbância e transmitância em função do comprimento de onda, registro esse, denominado espectro de absorção ou transmissão, de acordo com os dados analisados. O espectro de absorção é característico para cada espécie química, dessa forma é possível identificar uma substância através de seu espectro de absorção.

Um espectrofotômetro baseia-se em cinco componentes principais, são eles: fontes de radiação, monocromador, recipientes para conter as soluções, detectores e indicadores de sinal, como descritos no esquema a seguir.

A figura 10 ilustra os componentes principais de um espectrofotômetro.

Figura 10 - Esquema dos principais componentes de um espectrofotômetro.

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3.1.1. Fontes de radiação

As fontes de radiação baseiam-se na incandescência e são facilmente aplicadas no infravermelho e no visível, porém devem suportar elevadas temperaturas na faixa do ultravioleta. Para classificar-se uma fonte como de radiação de boa qualidade, a mesma deve apresentar radiação continua, ter uma boa intensidade e ser estável, além disto, é ideal possuir boa duração e baixo preço.

3.1.1.1. Tipos de fonte de radiação

• Lâmpada de filamento de tungstênio, incandescente, produz emissão continua na faixa de 320 a 2500nm.

• Lâmpada de quartzo-iodo, incandescente, emite radiação de 200 a 3000nm, com vantagem de atuar na região do ultravioleta.

• Lâmpada de descarga de hidrogênio ou de deutério, a mais usada para emissão da radiação ultravioleta, emitindo radiação continua de 180 a 370nm. • Lâmpada de catodo oco, tipo especial de fonte de linha, preenchida por um gás

nobre, a fim de manter uma descarga de arco, fechado em uma extremidade, revestido com metal cujas linhas espectrais deseja-se obter.

• Laser, pelo processo de emissão estimulada, produz uma enxurrada de feixes estreitos e intensos de radiação, com todas as ondas em fase entre si, praticamente não se dispersa enquanto se propaga.

3.1.2. Monocromadores

Monocromadores são dispositivos responsáveis por selecionar o comprimento de onda que se deseja trabalhar. É constituído por uma fenda de entrada de um elemento de dispersão de radiação e de uma fenda de saída, o elemento de dispersão pode ser um prisma ou uma rede de difração.

3.1.3. Recipientes

São adotadas como recipientes cubas ou cubetas retangulares produzidas de vidro ou quartzo.

As cubetas de vidro são usadas quando se trabalha na região do visível, enquanto que as de quartzo são indicadas para trabalhar com ultravioleta, uma vez que o vidro absorve essa radiação, e o quartzo é transparente a mesma.

Indica-se o uso de cubetas com 1 cm de largura, a fim de simplificar os cálculos da lei de Beer-Lambert, porém, não se impede o uso de outros modelos.

A figura 11 ilustra as cubetas utilizadas no espectrômetro com o composto SDS e o Rh 6g.

Figura 11- cubetas utilizadas no experimento

Fonte: autora dessa monografia, 2018.

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3.2. Tipos de espectrofotômetros para região visível e ultravioleta

Espectrofotômetros variam de acordo com sua necessidade de aplicação, existindo modelos mais simples ou complexos. Usualmente encontram-se dois tipos de espectrofotômetro, como descritos a seguir.

• Espectrofotômetros mono-feixe, ajusta-se a transmitância em 0%, fechando o obturador entre a fonte de radiação e o detector. Após ocorre o ajuste de transmitância em 100%. Coloca-se o solvente (branco) no caminho ótico, abre-se o obturador e varia-abre-se a intensidade da radiação até que o sinal abre-seja de 100% de transmitância. Então substitui- se o recipiente com solvente pelo recipiente com a amostra e o percentual de transmitância da mesma é lido no indicador de sinal.

• Espectrofotômetros de duplo-feixe, dois feixes de radiação são formados no espaço. Um feixe passa pela solução de referência (branco) até o transdutor e o segundo feixe, ao mesmo tempo, passa através da amostra até o segundo transdutor. Nos espectrofotômetros deste tipo o ajuste do 0% é feito com a interrupção de radiação nos dois feixes e o 100% de transmitância é ajustado com o solvente (branco) colocado no caminho ótico dos dois feixes.

3.3. Espectrofotômetro usado no experimento

O espectrofotômetro usado para realizar análise de formação de sistemas micelares, foi um espectrofotômetro UV-Vis, mono-feixe da Shimadzu, modelo MultiSpec-1501, com detector de arranjo de diodos, monocromador em forma de uma grade holográfica de superfície comprimida, côncava, com correção de aberração, o que dispensa o uso de espelhos no sistema ótico apresentado pela na figura a seguir.

Figura 12- Sistema ótico do espectrofotômetro usado no experimento.

Figura 12- Sistema ótico do espectrofotômetro usado no experimento. Fonte: SHIMASZU,2013

Nesse esquema é possível observar duas fontes de radiação, as lâmpadas de deutério e de tungstênio, cujas emissões são focalizadas através de uma lente sobre a amostra. Portanto, todo o espectro de emissão da lâmpada incide sobre a mesma, sendo que a radiação incidente será, em parte, absorvida. Esta radiação que atravessou a amostra (transmitida ou emergente) irá incidir sobre uma lente que focaliza o feixe sobre uma fenda, e desta sobre uma grade de difração. Esta grade irá difratar a radiação, separando os seus diferentes comprimentos de onda, sendo que cada um deles irá incidir sobre um diodo do arranjo. Este diodo, ao ser irradiado, produz uma corrente elétrica cuja magnitude depende da intensidade da emissão. Através de um circuito de calibração adequado, esta corrente será transformada em absorbância nos diferentes comprimentos de onda, resultando no espectro de absorção da amostra.

A banda de absorção do espectrofotômetro é na faixa de 190 a 800 nm, região que abrange principalmente as faixas de ultravioleta (200 a 400 nm) e do visível (400 a 800 nm). A fonte de radiação utilizada para emitir na faixa do ultravioleta é a lâmpada de Deutério e na faixa do visível é a lâmpada de Tungstênio.

A figura 13 representa o espectrômetro utilizado para o experimento e abaixo as amostras utilizadas no mesmo.

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Figura 13- espectrofotômetro utilizado para o experimento

4- PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

4.1- Materiais

Para o experimento foram utilizadas soluções de surfactante aniônico Dodecil Sulfato de Sódio (SDS), Rh 6g, um espectrofotômetro de rede de fotodiodo UV-visível Multiespec-1501 da Shimadzu com varredura de 200nm até 700nm, cubeta de quartzo com caminho ótico de 1 cm e agua Milli Q.

4.2- Preparação das amostras

Para o experimento com SDS foi necessário utilizar alguns cálculos estequiométricos na preparação da amostra. O primeiro está relacionado com a concentração molar c, definida em mol/litro e dada por:

𝑐 =𝑛

𝑣 (2)

onde n é a quantidade de matéria do soluto, dado em mol, e V é o volume da solução, dado em litro.

Sabendo que a quantidade de matéria é dada por: 𝑛 = 𝑚

𝑀𝑀 (3),

onde m é a massa do soluto, dado em gramas, e MM é a massa molar do soluto, dado em gramas/mol.

Fazendo algumas manipulações e substituindo (2) em(3), achando dessa forma que a massa necessária para cada concentração dada é:

𝑚 = 𝑐. 𝑀. 𝑀. 𝑉 (4)

Tendo a massa molar do SDS de 288, g/mol e utilizando um volume de 50 mL para cada concentração e o Rh 6g 1𝑥10−3 _{M para todas as amostras obteve a seguinte} concentração.

Tabela 3- concentração do composto.

AMOSTRAS CONCENTRAÇÃO

1 3𝑥10−3

33 3 1 𝑥10−2 4 2 𝑥10−2 5 5𝑥10−2 6 6 𝑥10−2 7 8𝑥10−2 8 1𝑥10−1

Fonte: autora dessa monografia, 2018.

Após os procedimentos, obtemos as amostras necessárias para a realização do experimento e obtenção dos resultados.

Figura 14- Amostras de SDS usado no experimento

Fonte: autora dessa monografia, 2018.

4.3- Corante utilizado:

O corante usado foi um corante da família da rodamina, do tipo Rh6G. As rodaminas são uma família de compostos químicos orgânicos usados como corantes, conhecidas como fluoronas. Estes compostos são muito utilizados em aplicações biotecnológicas, como microscopia de fluorescência, citometria de fluxo, espectroscopia de fluorescência. O motivo pelo utilizamos este composto foi porque o

mesmo apresenta uma alta fluorescência e isto ajudou muito na observação do espectro do SDS. (Tese de Doutorado E. de Lima / UFPB/ CCEN/DEF - 2010).

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5- RESULTADOS E DISCUSSÕES

Aplicando a técnica espectrofotometria de absorção UV-Vis e utilizando um software para análise de dados, obtemos os seguintes resultados que passaremos a discutir. Na figura 15 temos o espectro de uma amostra, podemos observar que existem duas regiões distintas neste gráfico. Essas regiões mostram que a absorção deste composto ocorre em dois comprimentos de onda, que são 350 nm e 515 nm. Este fato está ligado a formação de agregados ainda na fase de monômeros que se agregam as moléculas do corante, este foi evidenciado por E. de Lima. (Tese de Doutorado E. de Lima / UFPB/ CCEN/DEF - 2010)

Figura 15: gráfico de absorção x comprimento de onda em dois comprimentos de onda distintos.

Fonte: autora dessa monografia, 2018.

Na figura 16, temos a comparação entre os diversos espectros do composto frente a concentração do mesmo. Tendo como objetivo fazer análise desde os monômeros até a formação de agregados micelares. Isto pode ser evidenciado na mudança espectral. No primeiro espectro (a1) temos apenas monômeros dispersos na solução, em a2 a concentração de monômeros de SDS, está acima do CMC, que é 1 x 10-3 _{Mol/L, o motivo disto é porque estamos interessados em estudar a formação}

de agregados acima do CMC. A partir de a3 podemos perceber que aumentando a concentração verificamos mudanças significativas no espectro de absorção, tal fato se deve a formação de agregados.

Figura 16: gráfico de absorção x comprimento de onda. Comparação de espectros quando mudado a sua concentração.

Fonte: autora dessa monografia, 2018.

Na figura 17(a), temos uma representação didática da formação desses agregados, onde com o aumento da concentração de SDS aumentamos os agregados em solução. Em 17(b) apresentamos o resultado da intensidade pico de absorção em função da concentração do composto (SDS + Rh6g). No qual foi feita a comparação de 17 (a) e 17 (b), podemos notar que em baixa concentração do SDS temos poucos

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monômeros dispersos, à medida que aumentamos a concentração aumenta o número de monômeros, chegando até a mudanças de estruturas que está sendo evidenciado na figura 8 a representação esquemática de diversos agregados.

Figura 17: (a) representação da formação de micelas abaixo e acima da CMC. figura 17 (b) gráfico do pico de absorção em função da concentração.

Fonte: a)DPETRO, Campinas: ABPG, 2007. Fonte: b) autora dessa monografia,2018.

Na figura 18, temos a intensidade de pico de absorção frente a variação de concentração do composto para duas regiões distintas (no comprimento de onda de 350nm e 515nm). Observamos que temos transições, provavelmente, de estruturas moleculares do composto. Devido a não análise dessas transições, não podemos afirmar de fato que isto ocorre, pois não foi o intuito do trabalho analisar tais transições por não ser algo trivial. Mas de acordo com a literatura a formação de agregados modifica o espectro de absorção, e isto comprovamos em nosso trabalho, conforme podemos evidenciar na figura 18 (a) e 18 (b).

Figura 18: (a)Gráfico de intensidade de pico x concentração para 350 nm. (b) Gráfico de intensidade de pico x concentração para 515 nm.

Fonte: autora dessa monografia, 2018.

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6- CONCLUSÃO

A análise da formação de agregados em compostos orgânicos é de extrema importância nas mais diversas áreas do conhecimento que vão desde da saúde até as engenharias. No que se refere ao SDS esse composto é muito utilizado na

indústria farmacêutica e cosméticos, então entender a formação desses agregados é de vital importância nas mais diversas aplicações. De acordo com a forma com que se agregam, eles mudam as propriedades físico-químicas.

Neste trabalho, evidenciamos esta formação de agregados desde a fase inicial até a saturação, conforme verificados nos resultados apresentados. Esses resultados estão de acordos com a literatura, mostrando que a técnica utilizada pode ser aplicada nesse tipo de trabalho.

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