En química coloidal y de superficies , la concentración micelar crítica ( CMC ) se define como la concentración de tensioactivos por encima de la cual se forman las micelas y todos los tensioactivos adicionales añadidos al sistema formarán micelas. [1]
La CMC es una característica importante de un tensioactivo. Antes de alcanzar la CMC, la tensión superficial cambia fuertemente con la concentración del surfactante. Después de alcanzar la CMC, la tensión superficial permanece relativamente constante o cambia con una pendiente más baja. El valor de la CMC para un dispersante dado en un medio dado depende de la temperatura, la presión y (a veces fuertemente) de la presencia y concentración de otras sustancias tensioactivas y electrolitos . Las micelas solo se forman por encima de la temperatura micelar crítica .
Por ejemplo, el valor de CMC para el dodecilsulfato de sodio en agua (sin otros aditivos o sales) a 25 ° C, presión atmosférica, es 8x10 −3 mol / L. [2]
Descripción
Al introducir tensioactivos (o cualquier material tensioactivo) en un sistema, inicialmente se dividirán en la interfaz , reduciendo la energía libre del sistema al:
- Reducir la energía de la interfaz (calculada como área por tensión superficial), y
- eliminar las partes hidrófobas del tensioactivo del contacto con el agua.
Posteriormente, cuando aumenta la cobertura de la superficie por los tensioactivos, la energía libre de la superficie (tensión superficial) disminuye y los tensioactivos comienzan a agregarse en micelas, disminuyendo así nuevamente la energía libre del sistema al disminuir el área de contacto de las partes hidrófobas del tensioactivo con el agua. [3] Al alcanzar la CMC, cualquier adición adicional de surfactantes solo aumentará el número de micelas (en el caso ideal).
Hay varias definiciones teóricas de CMC. Una definición bien conocida es que CMC es la concentración total de tensioactivos en las siguientes condiciones: [4]
- si C = CMC, (d 3 F / d C t 3 ) = 0
- F = a [micela] + b [monómero]: función de la solución de tensioactivo
- C t : concentración total
- a , b : constantes proporcionales
La CMC depende en general del método de medición de las muestras, ya que una y b dependen de las propiedades de la solución tales como la conductancia y fotoquímicas características. Cuando el grado de agregación es monodisperso , la CMC no está relacionada con el método de medición. Por otro lado, cuando el grado de agregación es polidisperso , la CMC está relacionada tanto con el método de medición como con la dispersión.
El procedimiento común para determinar la CMC a partir de datos experimentales es buscar la intersección de dos líneas rectas trazadas a través de gráficos de la propiedad medida frente a la concentración de tensioactivo. Este método de análisis de datos visuales es muy subjetivo y puede dar lugar a valores de CMC muy diferentes según el tipo de representación, la calidad de los datos y el intervalo elegido alrededor de la CMC. [5] Un método preferido es el ajuste de los datos experimentales con un modelo de la propiedad medida. Se han presentado funciones de ajuste para propiedades tales como conductividad eléctrica, tensión superficial, desplazamientos químicos de RMN, absorción, coeficientes de autodifusión, intensidad de fluorescencia y coeficiente de difusión traslacional medio de tintes fluorescentes en soluciones tensioactivas. [6] [7] [8] Estas funciones de ajuste se basan en un modelo para las concentraciones de tensioactivos monoméricos y micelizados en solución, que establece una definición analítica bien definida de la CMC, independiente de la técnica.
La CMC es la concentración de tensioactivos en la masa a la que comienzan a formarse las micelas. La palabra volumen es importante porque la partición de los tensioactivos entre el volumen y la interfaz y la CMC es independiente de la interfaz y, por lo tanto, es una característica de la molécula de tensioactivo. En la mayoría de las situaciones, como las mediciones de la tensión superficial o las mediciones de la conductividad , la cantidad de tensioactivo en la interfaz es insignificante en comparación con la de la masa y la CMC se puede aproximar por la concentración total.
Hay situaciones importantes en las que las áreas interfaciales son grandes y no se puede descuidar la cantidad de tensioactivo en la interfaz. Si, por ejemplo, se introducen burbujas de aire en una solución de un tensioactivo por encima de CMC, estas burbujas, a medida que ascienden a la superficie, extraen los tensioactivos de la masa a la parte superior de la solución creando una columna de espuma y reduciendo así la concentración. a granel por debajo de CMC. Este es uno de los métodos más fáciles de eliminar los tensioactivos de los efluentes ( flotación de espuma ). Por tanto, en espumas con suficiente superficie interfacial no habrá micelas. Un razonamiento similar se aplica a las emulsiones .
La otra situación surge en los detergentes . Uno comienza inicialmente con concentraciones mayores que CMC en agua y al agregar tejido con gran área interfacial y esperando el equilibrio, la concentración de surfactante desciende por debajo de CMC y no quedan micelas. Por tanto, la solubilización juega un papel menor en los detergentes. La eliminación de la suciedad aceitosa se produce mediante la modificación de los ángulos de contacto y la liberación de aceite en forma de emulsión.
En la industria del petróleo, la CMC se considera antes de inyectar surfactante en el yacimiento con respecto a la aplicación de recuperación mejorada de petróleo (EOR). Por debajo del punto CMC, la tensión interfacial entre la fase de aceite y agua ya no se reduce de manera efectiva. [9] Si la concentración del tensioactivo se mantiene un poco por encima de la CMC, la cantidad adicional cubre la disolución con la salmuera existente en el depósito. Se desea que el tensioactivo funcione a la tensión interfacial más baja (IFT).
Simulaciones y conjuntos de datos
La formación de micelas tiene lugar solo por encima de una temperatura particular y por encima de una concentración particular llamada concentración crítica de micelas. [10] [11] La fiabilidad de algunos datos experimentales ha sido cuestionada por algunos autores que han propuesto conjuntos de datos estándar. [12] También se ha intentado utilizar el aprendizaje automático y otros modelos estadísticos para predecir la CMC. Algunos de estos intentos de predicción estadística también han seleccionado conjuntos de datos de la literatura. [13] [14]
Ver también
Referencias
- ^ IUPAC , Compendio de terminología química , 2ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) " concentración micelar crítica ". doi : 10.1351 / goldbook.C01395
- ^ Ana Domínguez, Aurora Fernández, Noemí González, Emilia Iglesias y Luis Montenegro "Determinación de la concentración de micelas críticas de algunos tensioactivos mediante tres técnicas", Revista de Educación Química, vol. 74, núm. 10 de octubre de 1997, págs. 1227–1231 (pdf)
- ^ Hakiki, F., Maharsi, DA y Marhaendrajana, T. (2016). Simulación de coreflood de surfactante-polímero y análisis de incertidumbre derivado de un estudio de laboratorio . Revista de Ingeniería y Ciencias Tecnológicas. 47 (6): 706-724. doi: 10.5614 / j.eng.technol.sci.2015.47.6.9
- ^ Phillips J. La energética de la formación de micelas. Transacciones de la Sociedad Faraday 1955; 51: 561-9
- ^ Mukerjee, P .; Mysels, KJ en concentraciones de micelas críticas de sistemas tensioactivos acuosos; Instituto Nacional de Estándares y Tecnología del NIST: Washington DC, EE.UU., 1971; Vol. NSRDS-NBS 36
- ^ Al-Soufi W, Piñeiro L, Novo M. Un modelo para concentraciones de monómeros y micelares en soluciones tensioactivas: aplicación a datos de conductividad, RMN, difusión y tensión superficial. J.Colloid Interface Sci. 2012; 370: 102-10, DOI: 10.1016 / j.jcis.2011.12.037
- ^ Lucas Piñeiro, Sonia Freire, Jorge Bordello, Mercedes Novo y Wajih Al-Soufi, Intercambio de tintes en soluciones micelares. Análisis cuantitativo de valoraciones de fluorescencia de moléculas individuales y a granel. Materia blanda, 2013,9, 10779-10790, DOI: 10.1039 / c3sm52092g
- ^ www.usc.es/fotofqm/en/units/single-molecule-fluorescence/concentration-model-surfactants-near-cmc
- ^ Hakiki, Farizal. Una revisión crítica de la recuperación de petróleo mejorada por microbios utilizando un núcleo de arenisca artificial: un modo matemático l. Papel IPA14-SE-119. Actas de la 38a Conferencia y Exposición de la API, Yakarta, Indonesia, mayo de 2014.
- ^ William C, Jordan, Kirk E, Warren, Patrick B, Noro, Massimo G, Bray, David J, Anderson, Richard L, Hacia un protocolo estándar para la simulación de micelas, The Journal of Physical Chemistry B, 2016, [1]
- ^ Vishnyakov, Aleksey, Lee, Ming-Tsung, Neimark, Alexander V, Predicción de la concentración micelar crítica de tensioactivos no iónicos mediante simulaciones de dinámica de partículas disipativas, El diario de letras de química física 2013, [2]
- ^ Swope, William C, Johnston, Michael, Andrew, Duff, Andrew Ian, McDonagh, James L, Anderson, Richard L, Alva, Gabriela, Tek, Andy T, Maschino, Alexander P El desafío de reconciliar las propiedades micelares experimentales del CnEm Familia de tensioactivos no iónicos. La Revista de Química Física B 2019. [3]
- ^ McDonagh, J., Swope, W., Anderson, RL, Johnson, MA y Bray, DJ ¿Qué puede hacer la digitalización para la innovación y el desarrollo de productos formulados ?. ChemRxiv 2019. [4]
- ^ Huibers, PD, Lobanov, VS, Katritzky, AR, Shah, DO y Karelson, M. Predicción de la concentración crítica de micelas utilizando un enfoque cuantitativo de relación estructura-propiedad. 1. Tensioactivos no iónicos. Langmuir, 1996. [5]
Otras lecturas
- SA Baeurle, J. Kroener, "Modelado de interacciones efectivas de agregados micelares de tensioactivos iónicos con el potencial de Gauss-Core", Journal of Mathematical Chemistry . 36, 409 - 421 (2004).
enlaces externos
- Teoría de la medición de CMC
- CMC y pesos moleculares de varios detergentes en OpenWetWare