iv. resultados obtenidos y su análisis iv-1. resultados...
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IV. Resultados obtenidos y su análisis IV-1. Resultados: SDS/Myrj 59 (Tensión superficial–conductividad)
Tensión superficial
Para la determinación de la tensión superficial se probaron los métodos
aquí descritos. Se realizaron ensayos correspondientes a las cuatro técnicas,
resultando una con los mejores resultados reproducibles para la sustancia de
referencia de tensión superficial conocida, que en este caso fue agua purificada
con las características ya mencionadas.
Durante las pruebas con los diferentes experimentos, se suscitaron varios
problemas que nos hacían descartar ciertas técnicas debido a la disponibilidad
de los materiales y equipos en el laboratorio así como a su sensibilidad.
Al momento de probar con la técnica de los capilares, los inconvenientes
fueron mayores que con ninguna otra, al ser muy pequeñas las distancias a las
que se elevaba el líquido en el capilar. El control del nivel de los capilares y la
colocación de la escala de referencia fueron sólo algunos de los problemas
observados.
Para ésta técnica, se dejó reposar el sistema para que llegara a un
equilibrio y después se fotografió el ascenso del agua sobre los capilares.
Durante ésta última etapa fue donde se observaron los problemas, al tener una
pobre resolución en la escala comparativa que se utilizó como referencia para el
ascenso, siendo la máxima en milímetros. Los resultados no eran de la mejor
precisión ni resolución por lo que se decidió descartar esta técnica.
Cuando se probó la técnica de la gota colgante, fue difícil encontrar un
capilar que proporcionara una forma deseable de las gotas para tomar las
fotografías. Durante la toma de las fotografías se observa que la gota formada
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es muy pequeña, por lo que al contrastar la imagen con la escala de referencia,
(cuya máxima resolución eran milímetros) Tampoco se pudo obtener un buen
resultado en la determinación.
Se procedió con la técnica de la pesada hidrostática. Como ésta técnica
es comparativa sólo fue utilizada como verificadora de los resultados, ya que se
necesita obtener primero el resultado de alguna sustancia de referencia con
alguna otra técnica.
Por último, se ensayó con la técnica del anillo de DuNouy. Como se trata
de una medición directa de las fuerzas y del perímetro del anillo, y al contar con
el equipo necesario para la realización de las mediciones en el laboratorio, es
mucho más fácil en la etapa de pruebas el tratar de controlar las variables que
intervienen para determinar la tensión superficial. Al probar la técnica fue la que
mostró los resultados más satisfactorios y en cuyo comparativo con el agua
ultrapura se obtiene un error muy pequeño. Por lo anterior, se decidió trabajar
con esta técnica de aquí en adelante
Se prosiguió con la medición de la tensión superficial para las soluciones
de SDS en agua. Los resultados de la medición con sus respectivas barras de
error en el eje de la ordenada se resumen en la figura 4.1, que se asemeja a
resultados previos [16] [17].
36
0.1 1 10
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Tens
ion
Sup
erfic
ial [
mN
/m]
Concentracion SDS [mM]
Figura 4.1 Tensión superficial de soluciones de SDS en agua
El análisis de los datos nos muestra un cambio en el comportamiento de
la tensión superficial en el punto marcado con la concentración de 8mM. Lo
anterior confirma lo reportado en la bibliografía que nos dice que la
concentración micelar crítica ocurre a 8.3mM, A partir de este punto, la tensión
superficial tiende a estabilizarse alrededor de cierto valor. En esta concentración
es donde la formación de agregados o el comportamiento de la sustancia
disuelta provocan un cambio en el comportamiento de ciertas propiedades de la
solución como lo son la tensión superficial, la espumabilidad o la conductividad
eléctrica.
Posteriormente se realizaron las mediciones para las soluciones en el
caso del Myrj 59 puro. Los resultados obtenidos en esta parte del experimento
se muestran en Figura 4.2.
37
0.01 0.1 1 10
35
40
45
50
55
60
Tens
ion
Supe
rfici
al (m
N/m
)
Concentracion Myrj59 [mM]
Figura 4.2 Tensión superficial de soluciones de Myrj59 en agua
La figura 4.2 es una aportación nueva de esta investigación ya que no se
encontraron datos similares en la bibliografía revisada. Al no existir una
referencia de comparación, las mediciones posteriores en este trabajo se tratan
de aportaciones originales.
Cabe resaltar que para la solución de concentración 10mM los resultados
no son confiables debido a la no-homogeneidad observada en la solución
preparada y a cambios visibles en la misma mientras se llevaba a cabo la
medición. Es importante señalar, que conforme se aumenta la concentración, las
propiedades viscoelásticas de la solución juegan un papel más importante en la
determinación de la tensión superficial debido al tiempo de estabilización de las
fuerzas aplicadas con esta técnica.
A continuación, se realizaron las mediciones correspondientes para las
soluciones que contenían SDS y Myrj 59. El primer grupo de soluciones
38
conteniendo ambos componentes al cual se le midió la tensión superficial fue al
que se le fijó la concentración de SDS en 5mM, es decir, por debajo de la
concentración micelar crítica. Los resultados obtenidos se muestran en la figura
4.3. El valor de referencia (representado por la línea punteada en azul) se trata
del valor de la tensión superficial obtenido a partir de la solución de SDS puro a
5mM, que en este caso es de 38.64mN/m.
0.01 0.1 130
32
34
36
38
40
42
44
Tens
ion
Sup
erfic
ial (
mN
/m)
Concentracion Myrj59 [mM]
Figura 4.3 Tensión Superficial SDS-Myrj 59 [SDS]=5mM
Si analizamos la figura 4.3, podemos observar como al ir aumentando la
concentración de Myrj 59, los valores de la tensión superficial siguen una
tendencia de crecimiento, es decir, la tensión superficial de la solución aumenta
conforme se aumenta la cantidad de Myrj 59 presente en la solución. Esto ocurre
hasta aproximadamente una concentración de 1mM de Myrj59, punto a partir del
cual la tensión superficial disminuye hasta llegar a valores debajo del valor de
referencia. En las gráficas de este tipo de soluciones que contienen a ambos
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componentes se decidió llegar hasta un valor de 3mM, debido a los efectos de
no homogeneidad en concentraciones mayores mencionados con anterioridad.
Se procedió después a llevar a cabo las mediciones para las soluciones
en las cuales la concentración de SDS se fijó en 8.3mM, es decir, a la
concentración micelar crítica. La figura 4.4 muestra los resultados obtenidos
para este tipo de soluciones.
0.01 0.1 1
33
36
39
42
45
Tens
ion
Supe
rfici
al [m
N/m
]
Concentracion Myrj59 [mM]
Figura 4.4 Tensión Superficial SDS-Myrj 59 [SDS]=8.3mM
En este caso, el Myrj 59 parece seguir un comportamiento similar que
para el caso anterior (donde la concentración se fijó a 5mM), ya que se observa
un crecimiento en los valores de la tensión superficial, por encima del valor de
referencia para una solución de SDS puro a 8.3mM. En este tipo de soluciones,
es también a partir de aproximadamente una concentración de 1mM para el Myrj
59 que se observa que comienza el decaimiento en los valores de la tensión
superficial, pero sin llegar debajo del valor de referencia (que en este caso es de
aproximadamente 37.12 mN/m).
40
Prosiguiendo con las soluciones para las cuales se fijó el valor de la
concentración de SDS en 17mM (aproximadamente dos veces la concentración
micelar crítica), se realizaron las determinaciones de tensión superficial y los
resultados se muestran en la figura 4.5.
0.01 0.1 1
36
39
42
45
48
Tens
ion
Sup
erfic
ial [
mN
/m]
Concentracion Myrj59 [mM]
Figura 4.5 Tensión Superficial SDS-Myrj 59 [SDS]=17mM
En la figura 4.5, se puede observar análogo a las curvas anteriores, como
la adición del polímero Myrj 59 provoca un incremento en los valores de la
tensión superficial, que son también por encima del valor de referencia. Para el
caso de este tipo de soluciones, se observa una tendencia a disminuir al final de
la curva mostrada, solo que no es tan apreciable como en los casos anteriores y
en ningún caso se encuentran por debajo del valor de referencia (que para
17mM es de aproximadamente 42mN/m).
Se procedió por último a determinar la tensión superficial de las
soluciones para las cuales se fijó el valor de la concentración de SDS en 25 mM
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(aproximadamente tres veces la concentración micelar crítica). Los resultados
obtenidos se muestran en la figura 4.6.
0.1 136
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
Tens
ion
Sup
erfic
ial [
mN
/m]
Concentracion Myrj59 [mM]
Figura 4.6 Tensión Superficial SDS-Myrj 59 [SDS]=25mM
Analizando la curva correspondiente a la figura 4.6, obtenemos resultados
similares a los casos anteriores. El polímero en este caso también provoca un
incremento en la tensión superficial y al final de la curva muestra un decaimiento
en los valores, pero sin bajar nunca del valor de referencia para la solución de
SDS puro a 25mM, que es aproximadamente 42 mN/m.
Si agrupamos los datos de las cuatro curvas obtenidas en las figuras 4.3,
4.4, 4.5 y 4.6 en una sola, obtenemos la gráfica que se muestra en la figura 4.7.
Esta figura resume los resultados obtenidos en la determinación de la tensión
42
superficial de este sistema. Las concentraciones fijas de SDS se muestran en
orden creciente en la leyenda de la gráfica.
Podemos notar en la figura 4.7 la tendencia general del comportamiento
de las curvas, Se observa como al ir aumentando la concentración de Myrj 59,
los valores de la tensión superficial crecen hasta cierto punto y a partir de aquí
muestran un decremento en el valor, que puede deberse en casos de grandes
concentraciones a lo mencionado respecto a las propiedades viscoelásticas y a
la saturación de las soluciones.
0.01 0.1 1
35
40
45
Tens
ion
Sup
erfic
ial [
mN
/m]
Concentracion Myrj59 [mM]
[SDS]=5mM [SDS]=8.3mM [SDS]=17mM [SDS]=25mM
Figura 4.7 Tensión Superficial Sistema SDS-Myrj 59
Sabemos que el Myrj 59 se trata de un polímero asociativo por lo que de
alguna manera éste forma agregados con las moléculas de SDS presentes en
las diversas soluciones. Es notorio que se asocia a las moléculas del
tensoactivo, sobre todo a concentraciones bajas, donde se observan los
incrementos en la tensión superficial, intuyendo que estas ya no se encuentran
en la interfase. A concentraciones mayores de polímero, la tensión superficial
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vuelve a disminuir. Esto puede ser debido a la saturación de moléculas en el
sistema y a la localización de estas en la interfase.
Figura 4.8: Moléculas anfifílicas adsorbidas en la interfase agua-aire
Los agregados tensoactivo-polímero parecen comenzar a manifestarse a
concentraciones bajas de polímero, y conforme se aumenta su concentración, la
slución se satura en polímero. Todo esto puede ser inferido en relación a la
propiedad interfacial medida, debido a que las moléculas de tensoactivo que
normalmente se adsorben en la interfase (Figura 4.8) son ahora “capturadas” por
el polímero para formar agregados (Figura 4.9).
Figura 4.9 Estructura probable de los agregados en el “bulto” de las soluciones.
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Conductividad eléctrica
Primeramente, se midió la conductividad eléctrica de los diferentes tipos
de agua disponibles en el laboratorio. Los resultados se muestran en la figura
4.10
0 50 100 150 200 250 300 350 400
20
30
40
50
60
70
Con
duct
ivid
ad [μ
S/cm
]
Tiempo [s]
Agua del grifo Agua destilada Agua ultrapura
56.74
20.1120.43
Figura 4.10 Medición de la conductividad eléctrica en agua
Se muestra a la derecha de cada conjunto de datos el valor promedio de
la conductividad eléctrica después de tres minutos para cada tipo de agua. Es
notorio como los valores de conductividad eléctrica obtenidos para las aguas
que fueron sometidas a un proceso de purificación en dos partes del proceso
son muy similares. Es importante señalar que la conductividad eléctrica del agua
durante todo el proceso se redujo a un 35% del valor original, lo que nos
muestra una remoción importante de impurezas.
Partiendo de aquí, se procedió a realizar las mediciones de conductividad
eléctrica para las diversas soluciones antes mencionadas. Los puntos mostrados
45
en cada gráfica corresponden al promedio de los valores para cada 5 minutos de
medición en cada solución.
La primera medición realizada corresponde a las soluciones de SDS en
agua y los resultados se presentan en la figura 4.11.
Figura 4.11 Conductividad eléctrica del SDS en agua
Al ser el SDS un tensoactivo iónico, se espera que conforme aumente la
concentración, aumente también la conductividad eléctrica de la solución, y eso
es exactamente lo que sucede. Lo que no se aprecia en la gráfica es un
comportamiento distinto alrededor de la concentración 8.3mM, que corresponde
a la CMC. Después de varios análisis a la gráfica, podemos constatar que,
según se presente la información, los cambios se pueden hacer más
apreciables, si la gráfica de la figura 4.11 se presenta en escala decimal, como
en la figura 4.12. En dicha fugura se observa un cambio en la tendencia de la
curva aproximadamente a 8mM, lo que concuerda con los datos antes
mencionados (se ha omitido de esta gráfica el dato para 50mM para una mejor
apreciación del cambio en la tendencia). A partir de este punto, las
0.1 1 100
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Con
duct
ivid
ad [μ
S/cm
]
[SDS] mM
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representaciones de conductividad eléctrica serán en escala decimal a menos
que se indique lo contrario.
Figura 4.12 Conductividad eléctrica del SDS en agua
Las soluciones que contienen Myrj 59 presentan una conductividad
eléctrica muy distinta a las que contienen SDS puro, como se muestra en la
figura 4.13.
10 20 300
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Con
duct
ivid
ad [μ
S/c
m]
[SDS] mM
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Figura 4.13 Conductividad eléctrica Myrj 59 en agua
Al ser el Myrj 59 un polímero neutro no se esperaría ninguna variación en
la conductividad eléctrica de la solución al incrementar la concentración del
mismo, sin embargo, se observa claramente un incremento en la conductividad
eléctrica conforme aumenta la concentración del polímero. No obstante, los
incrementos son muy pequeños si se comparan con los incrementos para el
SDS en solución, es decir, si agregamos la misma masa de uno y de otro
compuesto a la solución, los valores de la conductividad eléctrica del SDS son
muy grandes con respecto a los valores para el Myrj 59. Si se comparan los
incrementos en la conductividad eléctrica provocados por el Myrj 59 con
respecto a los provocados por el SDS, éstos pueden llegar a ser despreciables
debido a los órdenes de magnitud de los valores.
Estas variaciones pueden deberse a las impurezas que pudiese traer
consigo el polímero desde su método de fabricación (impurezas iónicas) o en su
envase o transportación, ya que el polímero no se vende con un 100% de
pureza. Otra causa probable puede ser el pH de las soluciones o la manera de
interacción de los componentes de las soluciones con el agua. Tomando en
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Con
duct
ivid
ad [μ
S/c
m]
[MYRJ59] mM
48
cuenta lo anterior, se procedió a realizar las mediciones de la conductividad
eléctrica de las soluciones de SDS y Myrj 59. La gráfica obtenida se muestra en
las figuras 4.14 y 4.15.
Figura 4.14 Conductividad eléctrica SDS-Myrj 59
Podemos observar en la figura 4.14 que al aumentar la concentración de
SDS se produce un notable incremento en cada una de las curvas, por lo que se
corrobora lo que se dijo anteriormente de que la conductividad eléctrica está
predominantemente influenciada por la concentración del tensoactivo iónico, en
este caso el SDS.
Las pequeñas variaciones que se observan en las curvas no son de
esperarse teóricamente si las concentraciones de SDS se mantienen fijas, pero
como ya se dijo, es probable que los polímeros contengan impurezas de
naturaleza iónica que afecten o hacen variar las determinaciones de la
conductividad eléctrica. En la figura 4.15 se hace un acercamiento a la figura
4.14, donde se puede observar que las variaciones son de un orden muy bajo
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
[SDS] = 5.00 mM [SDS] = 8.30 mM [SDS] = 17.0 mM [SDS] = 25.0 mM
Con
duct
ivid
ad [μ
S/c
m]
Concentracion Myrj59 [mM]
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respecto a los valores manejados de conductividad eléctrica, y en todo caso son
dependientes de la concentración del tensoactivo.
Figura 4.15 Conductividad eléctrica SDS-Myrj 59
Podemos atribuir el efecto de variación en la conductividad eléctrica a la
existencia de una pequeña proporción de impurezas iónicas en el polímero que,
como se explicó anteriormente, son probablemente residuos de su método de
fabricación. Cabe resaltar que las variaciones de conductividad eléctrica son
muy pequeñas y sus valores se mantienen relativamente cerca de un valor
promedio para las soluciones con SDS a 5mM y 8.3mM. Para las soluciones
cuya concentración de SDS es de 17mM o 25mM se observa una mayor
variación, con incrementos de hasta 250 μS/cm. Se estima que dichas
impurezas existen en proporción inferior al 2 % en masa en la muestra. Esta
cantidad no es relevante para los resultados que aquí se presentan, aunque si
podría ser de importancia en experimentos donde la fuerza iónica del sistema
tuviera que controlarse con mucha precisión.
0.01 0.1 1
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
[SDS] = 5.00 mM [SDS] = 8.30 mM [SDS] = 17.0 mM [SDS] = 25.0 mM
Con
duct
ivid
ad [μ
S/c
m]
Concentracion Myrj59 [mM]
50
IV-2. Resultados técnica óptica
Para determinar la tensión superficial a través de esta técnica fue
necesario primero medir y determinar ciertos valores mencionados en el capítulo
de materiales y métodos. La distancia L medida fue de 6.085 metros. Para la
determinación del ángulo de incidencia del láser en la muestra se utiliza una
pantalla con agua coloreada con azul de metileno para contrastar con el color
rojo del láser. Se hace incidir una fuente de humo y se toma una fotografía para
ser analizada con el software ImageJ. El resultado es un ángulo de 7.2º.
Una vez montado el experimento (figura 4.16) y controlados todos los
parámetros para evitar las afectaciones del sistema, la técnica demostró ser fácil
de manipular. Los patrones de difracción obtenidos son de la forma como
muestra la figura 4.17.
Figura 4.16 Montaje Experimental de la técnica óptica
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Figura 4.17 Patrón de difracción. Método óptico
Teniendo todos los datos necesarios se procedió a realizar pruebas con el
agua ultrapura, tomando fotografías a los patrones de difracción y analizando las
distancias entre puntos. Se obtuvo como resultado un valor de 74.18 mN/m, que
es muy próximo al valor real de 72.75 mN/m [15]
Habiendo comprobado que la técnica funciona para el caso del agua, se
decide probar la técnica con algunas de las soluciones con las que se había
trabajado. Tomando en cuenta las dificultades del caso, se obviaron dos factores
importantes al llevar a cabo las determinaciones. El primero es la suposición de
las densidades. Puesto que en esta determinación y al aplicar la ecuación (25)
se requiere conocer la densidad de la solución que se mide, se decidió suponer
una densidad de 1 g/mL para todas las soluciones, a pesar de saber que la
densidad varía en cada solución. El segundo factor importante es que a partir de
cierta concentración, esta técnica funcionaría mejor que la del anillo, debido a
que las propiedades viscoelástcias no intervienen, como en el caso del anillo, en
una fuerza que hay que medir. En este caso, son solo comparables las dos
técnicas a las concentraciones bajas tanto de tensoactivo como de polímero.
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Sin embargo, en este trabajo se procedió a realizar dos de las curvas ya
obtenidas para compararlas en todo el espectro de concentraciones.
Una vez aclarado lo anterior, se presenta a continuación la figura 4.18
que muestra la comparación de la técnica del anillo de Du Nouy y el método
óptico para las soluciones de SDS en agua. Se puede observar que a
concentraciones bajas de SDS (dos primeros puntos), la curva del método óptico
repite casi exactamente los valores obtenidos con anterioridad. Conforme se
aumenta la concentración, los valores parecen desplazarse o recorrerse hacia
valores menores. Cabe resaltar que a estas concentraciones, no podemos
considerar que la densidad siga siendo la misma, sin embargo, el
comportamiento de la gráfica es muy similar en cuanto a su forma a la obtenida
con el método del anillo. Nota: la figura 4.18 se encuentra en escala decimal.
0 10 20 30 40 50
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Tens
ion
Sup
erfic
ial [
mN
/m]
Concentracion SDS [mM]
Anillo de DuNouy
Metodo Optico
Figura 4.18 Comparación de métodos para la determinación de la Tensión Superficial
53
0.01 0.1 120
25
30
35
40
45
50
Tens
ion
Sup
erfic
ial [
mN
/m]
Concentracion Myrj59 [mM]
Metodo Optico Anillo de DuNouy
Figura 4.19 Comparación de métodos para la determinación de la Tensión Superficial
[SDS]=25mM
Se procede después a realizar mediciones con las soluciones de SDS a
25mM y variando la concentración de Myrj 59. Los resultados comparativos se
agrupan en la figura 4.19. Como podemos observar, la curva tiene un
comportamiento “similar” al de su equivalente con el método del anillo, pero
también se encuentra desplazada hacia valores menores.
Se puede apreciar además, que a concentraciones aún mayores de Myrj
59, la diferencia de los valores obtenidos entre las dos curvas es mayor, por lo
que pueden ser atribuidos que a concentraciones grandes las propiedades
viscoelásticas afectan el resultado de la medición con el método del anillo.