Los tensoactivos y su comportamiento en la interfase sólido-líquido

Objetivos

·         Identificar los tipos de tensoactivos

·         Determinar la capacidad espumante en agua blanda, media y dura de los tensoactivos

·         Determinar la capacidad corta grasa

Introducción

Las sustancias con actividad superficial o surfactantes son moléculas que tienen partes polares y no polares (anfifílicos). La actividad superficial es un fenómeno dinámico, puesto que el estado final de una superficie o interfase representa un equilibrio entre las tendencias a la adsorción y la tendencia hacia la disolución completa debido a la agitación térmica de las moléculas.

La tendencia de las moléculas surfactantes a acumularse en la interfase favorece una expansión de la misma, lo cual ha de ser contrarrestado por la tendencia de la interfase a contraerse bajo las fuerzas normales de tensión interfacial.

La parte hidrofílica de los surfactantes más efectivos, como por ejemplo, jabones, detergentes sintéticos y tintes, generalmente es un grupo iónico. Los iones tienen una fuerte afinidad por el agua debido a su atracción electrostática por los dipolos del agua y son capaces de solubilizar cadenas de hidrocarburos largas.

Clasificación;

Por la carga iónica de la parte superficialmente activa de la molécula, se clasifican en:

Tensoactivos aniónicos:

 En solución se ionizan, pero considerando el comportamiento de sus grupos en solución, el grupo hidrófobo queda cargado negativamente. Están constituidos por una cadena alquílica lineal o ramificada que va de 10 a 14 átomos de carbono, y en su extremo polar de la molécula se encuentra un anión.

Tensoactivos catiónicos:

Son aquellos que en solución forman iones, resultando cargado positivamente el grupo hidrófobo de la molécula.

Tensoactivos anfóteros ó anfotéricos:

Como su nombre lo indica, actúan dependiendo del medio en que se encuentren, en medio básico son aniónicos y en medio ácido son catiónicos.

Tensoactivos no-iónicos:

Los surfactantes o tensoactivos no-iónicos son aquellos que sin ionizarse, se solubilizan mediante un efecto combinado de un cierto número de grupos solubilizantes débiles (hidrófilos) tales como enlace tipo éter ó grupos hidroxilos en su molécula.

Mecanismo de la Detergencia

La mayoría de las operaciones de la vida cotidiana concernientes al lavado, ponen en juego un antagonismo entre los contaminantes (grasas hidrocarbonadas) y el agua. La detergencia es definida como el desplazamiento, con ayuda de una solución acuosa, de toda clase de contaminaciones grasosas situadas sobre superficies sólidas como textiles, metales, vidrio, piel etc. Para cumplir su papel, un tensoactivo con efecto detersivo, debe ser capaz de varias acciones:

-Que sus soluciones puedan mojar la superficie del sólido.

-Desplazar el contaminante.

-Permitir el desprendimiento del contaminante (suciedad) bajo la forma de suspensión sin redepositación sobre la superficie sólida, deberá ser estable en el medio, ya sea ácido o básico y no dar productos insolubles en el agua.

DESARROLLO EXPERIMENTAL

Capacidad espumante

Tensoactivos a usar:

1. Lauril Eter Sulfato de Sodio.
2. Emuilgin W-100.
3. Deyquart A.
4. Jabón de lavandería.

Capacidad de remoción de grasa mineral

Resultados

Agua blanda

Tabla 2. Volumen de espuma del experimento de capacidad espumante para agua destilada (agua blanda), los detergentes están al 0.5 % w/w.

Detergente añadido (mL)	Dehyquart A (mL)	Jabón de lavandería (mL)	Eumulgín (mL)	Lauril (mL)
0.5	18.9	8.1	13.5	8.1
1	54	10.8	18.9	18.9
1.5	67.5	13.5	59.4	35.1
2	81	27	83.7	67.5
2.5	118.8	37.8	105.3	81
3	148.5	40.5	135	108
3.5	156.6	67.5	143.1	148.5
4	229.5	102.6	170.1	189
4.5	245.7	121.5	175.5	283.5
5		137.7	189	297
5.5		143.1	248.4	45.9
6		151.2	256.5	340.2
6.5		164.7	272.7	378
7		180.9	283.5	432

Figura 1. Volumen de espuma formado en agua blanda al agregar cierto volumen de detergente al 0.5 % (véase Tabla 2).

Tabla 3. Resultados del experimento de capacidad espumante, se muestra el volumen de espuma generado al añadir cierto número de gotas de grasa. La probeta con Dehyquart A contenía 4.5 mL, Jabón de lavandería 7 mL, eumulgín W-100 7mL, y lauril éter sulfato sódico 7 mL,  al 0.5%.

Gotas de grasa añadida	Dehyquart A (mL)	Jabón de lavandería (mL)	Eumulgín W-100 (mL)	Lauril (mL)
0	245.7	180.9	283.5	432
1	18.9	67.5	170.1	156.6
2		13.5	18.9	8.1
3		8.1

Figura 2. Volumen de espuma generado al ir añadiendo gotas de grasa a cada uno de los detergentes en agua blanda (véase Tabla 3).

Agua media

Tabla 4. Volumen de espuma generado para cada adición de detergente al 0.5% w/w, a 50 mL de agua de dureza media.

Detergente agregado  (mL)	Dehyquart A (mL)	Jabón de lavandería (mL)	Emulgín (mL)	Lauril (mL)
0.5	10	0.5	8.1	30
1	30	0.5	22	50
1.5	60	1	30	60
2	90	1	27	70
2.5	120	2	38	85
3	130	5	40	100
3.5	190	10	43	120
4	220	20	50	150
4.5	250	30		160
5	280	40		160
5.5	310			165
6	340			180
6.5	400			200
7	450			200
7.5	500			210
8				210
8.5				210

Figura 3.Volumen de espuma formado en agua de dureza media al ir añadiendo detergentes al 0.5%.

Tabla 5. Volumen de espuma generado al ir añadiendo gotas de grasa. Las probetas contenían 7.5, 5.0, 4.0 y 8.5 mL de dehyquart A, jabón de lavandería, eumulgín W-100 y éter lauril sulfato sódico, respectivamente, al 0.5% w/w.

Gotas de grasa	Dehyquart A (mL)	Jabón de lavandería (mL)	Emulgín W-100 (mL)	Lauril (mL)
1	30	80	40	300
2	25	70	40	480
3	20		32.4	450
4	15		27	430
5	10		14	400
6	5			370
7	7			340
8				300
9				250
10				200
11				180
12				160
13				150
14				140
15				130
16				120

Figura 4. Volumen de espuma generada para cada detergente en agua de dureza media al ir añadiendo gotas de grasa

Agua dura

Tabla 6. Volumen de espuma generada al ir añadiendo cada uno de los detergentes, 0.5%,  a agua 50 mL de agua dura.

Volumen de detergente añadido  (mL)	Dehyquart A (mL)	Jabón de lavandería (mL)	Emulgín W-100 (mL)	Lauril (mL)
0.5	25	0	30	15
1	35	0	50	20
1.5	40		60	35
2	50	10	100	50
2.5			120	70
3	90	15	120	80
3.5	70		120	80
4	100	15	120	80
4.5	120		120
5	150	15
5.5	170
6	250	15
6.5	270
7	360
7.5	360
8	360
10	360
11		20
16		50
21		80
26		140
31		150
36		150

Figura 5. Volumen de espuma formada al ir añadiendo un volumen creciente de tensoactivo al 0.5% w/w en agua dura.

Tabla 7. Volumen de espuma generado por cada uno de los detergentes en 50 mL de agua dura al ir añadiendo gotas de grasa. El volumen contenido en cada probeta de detergente fue de  10.0, 36.0, 4.5 y 4.0 mL de dehyquart A, jabón de lavandería, eumulgín W-100 y éter lauril sulfato sódico.

Gotas de grasa	Deyquart	Jabón de lavandería	Emulgín	Lauril
1	20	170	30	60
2	15	170	35	50
3	15	160	35	50
4	15	160	25	50
5	10	160	25	45
6	0	150	20	40
7	0	140	15	40
8		140	10	35
9		140	0

Figura 6. Volumen de espuma que se genera al ir añadiendo gotas de grasa a cada uno de los detergentes en agua dura.

Comparación de detergentes en distintas durezas

Figura 7. Gráfica del comportamiento del volumen de espuma generado al adicionar Dehyquart A a agua de distinto tipo de dureza.

Figura 8. Gráfica del comportamiento de espuma generada de Dehyquart A al ir añadiendo gotas de grasa. El agua blanda, media y dura contenían 4.5, 7.5 y 10 mL, repectivamente, de Dehyquart A al 0.5%

Figura 9. Comportamiento de cantidad de espuma generada en agua de distintos tipos de dureza para jabón de lavandería al 0.5% w/w.

Figura 10. Volumen de espuma generado por las disoluciones de detergente en tres tipos de agua. La cantidad de jabón contenida en agua blanda, dura y media fue de 7, 5 y 36 mL al 0.5%, respectivamente.

Figura 11. Volumen de espuma generado al añadir cantidades crecientes en 0.5 mL de eumulgín W-100 al 0.5% a agua de distintos tipos de dureza.

Figura 12. Volumen de espuma generado al ir añadiendo gotas de grasa en soluciones de detergente en distintos tipos de dureza. La cantidad inicial de eumulgín W-100 en agua blanda, media y dura fue inicialmente de 7, 4, y 4.5 mL, respectivamente.

Figura 13. Volumen de espuma generada (mL) al ir añadiendo cantidades crecientes en 0.5 mL de lauril éter sulfato de sodio al 0.5% w/w.

Figura 14. Volumen de espuma generada al ir añadiendo gotas de grasa a soluciones de lauril en distintos tipos de agua. Las cantidades iniciales de lauril éter sulfato sódico fueron de 7.0, 8.5 y 4.0 mL a agua dura, media y blanda, respectivamente.

Capacidad de remoción de grasa mineral

Tabla 8. Resultados del experimento de capacidad de remoción de grasa mineral.

Detergente	Agua destilada	Agua media	Agua dura
Dehyquart A	No se removió	Removió	---
Jabón de lavandería	No se removió	No removió	---
Eumulgín W-100	Se removió completamente	Removió mejor que los demás	Sí removió
Lauril éter sulfato sódico	Hubo reposición de suciedad	Removió muy poco	----

--- Debido al tiempo de la práctica, no fue posible ver los efectos en la remoción de la grasa mineral, por lo tanto no podemos deducir nada prácticamente. Hablando teóricamente podemos decir que el Lauril sería un buen agente removedor de grasa ya que es un agente no iónico.

Tabla 9. Tipo de espuma generado por los tensoactivos.

Tensoactivo	Tipo de espuma
Dehyquart A	Cerrada
Jabón	Cerrada
Eumulgín W-100	Abierta
Lauril éter sulfato sódico	Cerrada

Discusión

Tipo de tensoactivo sobre el volumen de espuma generado

Para el agua blanda nos remitiremos a las Figuras 1 y 2. Como se pude observar en la Figura 1 el volumen de espuma generado es mayor para Deyquart A que para Eumulgín, y éste a su vez es mejor que el Lauril.  El estereato sódico queda en último lugar. Sin embargo, según la figura 2 los papeles se invierten pues el jabón es más resistente a la adición de grasa sobre la formación de espuma que el Dehyquart A.

En agua media observaremos las Figuras 3 y 4. La Figura 3 muestra claramente que el Dehyquart A forma mejor espuma que los otros tres tensoactivos. Le siguen el Lauril, Eumulgín W-100 y por último el jabón. La Figura 4 muestra que el Lauril resiste mejor la formación de espuma que el jabón, Eumulgín y el Dehyquart A.

Para agua dura hablaremos de las Figuras 5 y 6. Según la Figura 5 Eumulgín W-100 forma mejor espuma que el resto de los tensoactivos. Le siguen en orden decreciente el Dehyquart A (casi empatado con el Lauril), Lauril y jabón. Esto se deba a que Eumulgín W-100 es un tensoactivo no iónico que no es afectado por la dureza del agua, mientras que Dehyquart A es un tensoactivo catiónico, por lo que sí es afectado por la dureza del agua. Aún así, se observa que en agua media Dehyquart A es el mejor formando espuma, probablemente, porque en agua media la cantidad de sales presentes no es tan alta como para afectar la acción espumante de Dehyquart A. Para el experimento de añadir gotas de grasa es difícil obtener una conclusión al respecto, pues se observa que las pendientes de las curvas presentadas en la Figura 6 son prácticamente idénticas.

Tabla 10. Se muestran los mejores tensoactivos para formar espuma en la primera parte y para resistir las gotas de grasa y seguir formando gran cantidad de espuma. Los números indican los lugares relativos que ocupan cada uno de los detergentes.

Formación de espuma al añadir tensoactivo
	Agua blanda	Agua media	Agua dura
Dehyquart A	1	1	2
Jabón	4	4	4
Eumulgín W-100	2	3	1
Lauril	3	2	3
Formación de espuma al añadir gotas de grasa
	Agua blanda	Agua media	Agua dura
Dehyquart A	4	4	-
Jabón	1	2	-
Eumulgín W-100	2	3	-
Lauril	3	1	-

Dureza del agua sobre el volumen de espuma generado

Discutiremos el efecto de la dureza del agua sobre el volumen de espuma generado en cada uno de los detergentes. Para la adición de gotas de grasa la estimación se hizo considerando las pendientes y no las cantidades absolutas, pues la cantidad inicial de tensoactivo era diferente en cada probeta (véase sección de Resultados).

Para Dehyquart A hablaremos de las Figuras 7 y 8. Dehyquart A es un tensoactivo catiónico por lo que debería verse afectado por la dureza del agua. Según la Figura 7 una dureza de agua media no afecta significativamente la capacidad espumante del tensoactivo. Sin embargo, cuando la dureza del agua es alta el efecto es notable sobre la capacidad espumante del Dehyquart, como ya se había discutido anteriormente.

Según la Figura 8 para el caso de la adición de gotas de grasa, la formación de espuma se ve gravemente afectada en aguas medias y duras, por tanto, la grasa y los iones calcio ejercen un efecto sinérgico disminuyendo la capacidad espumante del tensoactivo, Dehyquart A.

Para jabón (estereato de sodio) nos referiremos a las Figuras 9 y 10. La Figura 9 muestra el mismo efecto para el jabón que para Dehyquart A. El jabón también es un tensoactivo iónico al igual que el Dehyquart A, por tanto, su capacidad espumante se ve afectada por la dureza del agua. La Figura 10 muestra un efecto interesante, pues a una dureza mayor el jabón presenta una mejor resistencia a la grasa y forma mejor espuma que en agua blanda. Esto no se debe a la capacidad intrínseca del jabón de resistir la presencia de grasa, sino más bien a la alta cantidad añadida de tensoactivo (36 mL contra los 7.0 mL de jabón adicionados a agua blanda, según la Figura 9). Así que para hacer una comparación, la cantidad de jabón adicionada en agua de los tres tipos de dureza debe ser similar.

Para Eumulgín W-100 haremos referencia a las Figuras 11 y 12. El Eumulgín W-100 es un tensoactivo no iónico por lo que esperamos que no se vea afectado por la dureza del agua. Según la Figura 11 el agua de dureza media disminuye más efectivamente la capacidad espumante de Eumulgín que el agua dura, que prácticamente no tiene efecto sobre la capacidad espumante de Eumulgín. Sin embargo, el resultado de agua media probablemente sea un error experimental más que un resultado fiable, pues no es de esperase que el agua media si afecte la capacidad espumante mientras que el agua dura no.

La Figura 12 muestra un caso interesante, pues el agua blanda que contiene mayor cantidad de Eumulgín se ve más afectada por las gotas de grasa que en agua dura, que además contiene menor cantidad de detergente. Éste resultado es contrario a lo esperado para un tensoactivo no iónico, incluso para cualquier clase de tensoactivo, pues como ya habíamos discutido la dureza del agua y la cantidad de grasa tienen acción sinérgica.

Para Lauril éter sulfato sódico haremos referencia a las Figruas 13 y 14. El Lauril éter sulfato de sodio es un tensoactivo aniónico, por lo que esperaremos el mismo resultado que para los demás tensoactivos iónicos (Dehyquart A y jabón). La Figura 13 muestra que en efecto la dureza del agua disminuye la capacidad espumante del Lauril.

La Figura 14 muestra el mismo efecto que ya se discutió para Eumulgín W-100 en la Figura 12, que la capacidad espumante se ve mayormente afectada en agua blanda que en agua dura o media.

Capacidad de remoción de grasa mineral

En la experimentación de remoción de grasa podemos observar que los tensoactivos  tienen el mismo comportamiento tanto en agua dura, blanda y media. Cuando se añade el detergente al agua las partes hidrofobias de las moléculas del detergente recubren la suciedad y la superficie solida, con lo cual se reduce la adhesión de la suciedad al solido.

Como pudimos observar el Eumulgín fue el que removió más la grasa ya que es un tenso activo no iónico.

A medida que un tensoactivo aumenta su cadena hidrocarbonada, su poder quita-grasa es mayor, aunque su solubilidad se hace menor. Los tensoactivos no-iónicos son muy buenos disolventes de la grasa.

Los detergentes sin espuma (para lavadoras) contienen de 10 a 20% de agente no-iónico el cual es un antiespumante.

                              

Características de los tensoactivos utilizados

El Dehyquart A, cetil trimetil cloruro de amonio, es un líquido incoloro e inodoro, soluble en agua en todas las proporciones. También es un antiséptico local. Es usado en los productos para el cuidado del cabello.

Figura 15. Cetil trimetil cloruro de amonio (Dehyquart A).

El ión estearato es un anión típico en los jabones, tiene una cabeza polar carboxilato y una cola no polar larga. La cabeza del ión estearato es compatible con el agua, en tanto que la cola hidrocarbonada es compatible en aceite y grasa. Grupos de estos iones pueden ser dispersado en agua debido a que forman micelas. La cola insoluble en aguas se encuentra en el interior de la micela y su cabeza polar en la parte de afuera donde puede interactuar con las moléculas polares de agua y cuando el estereato de sodio se agita en agua, es resultado no es una disolución verdadera. Las micelas son lo suficientemente grandes para dispersar la luz de modo que una mezcla de jabón-agua tiene apariencia turbia (Witten, et. al, 2008).

El Eumulgín W-100 es usado como un emulsificante no iónico O/W. Es un líquido claro, transparente, ligeramente amarillo con distintivo olor.  Tiene una densidad de 0.98 g/mL. También es usado como disolvente especialmente en formulaciones con contenido bajo en alcohol. Como tensoactivo no iónico no se disocia en agua. Se solubiliza mediante el efecto combinado de cierto número de grupos solubilizantes débiles como el hidroxilo. Los tensoactivos no iónicos representan aproximadamente 40% de la demanda mundial y no son tóxicos. Los tensoactivos no iónicos son excelentes agentes humectantes, compatibles tanto como aniónicos como con catiónicos y no son afectados por los iones calcio-magnesio del agua dura (Wittcoff, et. al., 1978).

El Lauril éter sulfato de sodio es un detergente y surfactante encontrado en números productos de cuidado personal. Tiene un peso molecular de 272.38 g/mol. El lauril éter sulfato sódico es un derivado de ácidos grasos procedentes de aceites de coco y palma que se tratan con ácido sulfúrico para introducir el grupo sulfato en la molécula (Ortuño, 2005).

Figura 18. Lauril éter sulfato de sodio.

Éstas sustancias tienen una potente acción detergente y suelen eliminar la mayor cantidad de grasa de lo recomendable en la piel o cabello, generando problemas de sequedad en la piel, irritación y presencia de caspa (Ortuño, 2005). Por ejemplo, el lauril éter sulfato de sodio puede ser irritante para los ojos y la piel, y puede contener el carcinógeno dioxano.

Conclusiones

·         El Deyquart A forma mejor espuma en aguas blanda y media.

·         Eumulgín W-100 es mejor espumante en aguas duras.

·         El estereato sódico resiste mejor en agua blanda con grasa la formación de espuma.

·         El jabón (estereato sódico) es el peor formando espuma en aguas blanda, media y dura.

·         Para el experimento de adición de gotas de aceite es importante que la cantidad de jabón contenida en la probeta sea similar en los tres tipos de agua (blanda, media y dura) para poder hacer una comparación posterior.

·         En la parte del abatimiento de espuma el aceite funciona como parte lipofilica y al mezclarse con la solución de agua y el tensoactivo se rompen las burbujas de aire separando al tensoactivo del agua y mezclándose con la parte lipofilica.

·         La dureza del agua afecta negativamente (disminuye) la capacidad espumante de Dehyquart A, estereato de sodio y lauril éter sulfato sódico.

·         La capacidad espumante de Eumulgín W-100 no se ve afectada por la dureza del agua.

Aplicaciones en la industria farmacéutica

·         Algunos tensoactivos se usan por su acción antibacteriana como el hexilresorcinol en la lombriz intestinal (Hill, et. al., 1999).

·         Su efectividad a pH bajo , han inducido su empleo en formuladores de emulsiones cosméticas, en especial en las que permanecen largo contacto con la piel.

·         Altamente valiosos como materias primas, base para formulación de diversos productos para la industria de la agricultura, curtido, látex, textiles, procesos de metales, pinturas en emulsión, petróleo, pulpa y papel.

·         Básicos en el área cosmética, por su buena tolerancia cutánea y en la formulación de limpiadores alcalinos.

·         Los agentes tensoactivos no iónicos son un intermediario de síntesis de otros surfactantes aniónicos y catiónicos-

Bibliografía

·         Adamson, A. y Gast, A. (1997). Physical Chemistry of Surfaces (6ª ed.). Nueva York, E.U.A.: Jonh Wiley & Sons. ISBN: 0-471-14873-3

·         Hill, J. y Kolb, D. (1999). Química para el nuevo milenio (8ª ed.). España: Prentice Hall, pp 236

·         Holmberg, K. (2002). Handbook of Applied Surface and Colloid Chemistry (1a ed.). Nueva York: E. U. A.: John Wiley & Sons. ISBN: 0-471-49083-0

·         Lide, D. y cols. (2004). Handbook of Chemistry and Physics (84a ed.). E. U. A.: CRS Press

·         Ortuño, M. (2005). La cara oculta de alimentos y cosméticos (1ª ed.). España: Ediciones Aiyana, pp 145

·         -Pashley, R. y Karaman, M. (2004). Applied Colloid and Surface Chemistry (1a ed.). Australia: John Wiley & Sons, Ltd. ISBN: 0-470-86882-1

·         Witten, K. y Davis, R. (2008). Química (8ª ed.). Editorial Cengage Learning, pp 536

·         Shaw, Duncan J. INTRUDUCCIÓN A LA QUÍMICA DE SUPERFICIES Y COLOIDES. Segunda edición. Editorial Alhambra. España 1977.

·         Alton Edward Bailey, (1984), Aceites y grasas industriales: obra indispensable a químicos e ingenieros, Editorial Reverte, España.