KALORYMETRIA: CO BADA I MA ZASTOSOWANIE - CHEMIA - 2026

Kalorymetrii jest techniką, która określa zmiany wartości kalorycznej systemu związanego z procesów chemicznych lub fizycznych. Opiera się na pomiarze zmian temperatury, gdy system absorbuje lub emituje ciepło. Kalorymetr to sprzęt używany w reakcjach, w których zachodzi wymiana ciepła.

Tak zwana „filiżanka do kawy” to najprostsza forma tego typu urządzenia. Za jego pomocą mierzy się ilość ciepła biorącego udział w reakcjach prowadzonych pod stałym ciśnieniem w roztworze wodnym. Kalorymetr z filiżanką kawy składa się z polistyrenowego pojemnika, który jest umieszczony w zlewce.

Wodę umieszcza się w styropianowym pojemniku wyposażonym w pokrywę wykonaną z tego samego materiału, który nadaje mu pewien stopień izolacji termicznej. Dodatkowo pojemnik posiada termometr i mieszadło mechaniczne.

Ten kalorymetr mierzy ilość ciepła, które jest absorbowane lub emitowane, w zależności od tego, czy reakcja jest endotermiczna czy egzotermiczna, gdy reakcja zachodzi w roztworze wodnym. Badany system składa się z reagentów i produktów.

Co bada kalorymetria?

Kalorymetria bada związek między energią cieplną związaną z reakcją chemiczną a sposobem jej wykorzystania do określenia jej zmiennych. Ich zastosowania w dziedzinach badawczych uzasadniają zakres tych metod.

Pojemność kaloryczna kalorymetru

Pojemność tę oblicza się, dzieląc ilość ciepła pochłoniętego przez kalorymetr przez zmianę temperatury. Ta zmienność jest iloczynem ciepła emitowanego w reakcji egzotermicznej, która jest równa:

Ilość ciepła pochłonięta przez kalorymetr + ilość ciepła pochłonięta przez roztwór

Zmienność można określić, dodając znaną ilość ciepła, mierząc zmianę temperatury. Do określenia pojemności kalorycznej zwykle stosuje się kwas benzoesowy, ponieważ znane jest jego ciepło spalania (3227 kJ / mol).

Pojemność kaloryczną można również określić, dodając ciepło za pomocą prądu elektrycznego.

Przykład

Sztabkę metalu o masie 95 g ogrzewa się do 400 ºC i natychmiast przenosi do kalorymetru z 500 g wody, początkowo o temperaturze 20 ºC. Końcowa temperatura systemu wynosi 24 ºC. Oblicz ciepło właściwe metalu.

Δq = mx ce x Δt

W tym wyrażeniu:

Δq = zmiana obciążenia.

m = masa.

ce = ciepło właściwe.

Δt = wahania temperatury.

Ciepło uzyskane przez wodę jest równe ciepłu oddawanemu z metalowego pręta.

Wartość ta jest podobna do tej, która pojawia się w tabeli ciepła właściwego dla srebra (234 J / kg ºC).

Tak więc jednym z zastosowań kalorymetrii jest współpraca przy identyfikacji materiałów.

Pompa kalorymetryczna

Składa się ze stalowego pojemnika, zwanego pompką, odpornego na wysokie ciśnienie, które może powstać podczas reakcji zachodzących w tym zbiorniku; Ten pojemnik jest podłączony do obwodu zapłonowego, aby rozpocząć reakcje.

Pompa jest zanurzona w dużym zbiorniku z wodą, którego zadaniem jest pochłanianie ciepła powstającego w pompie podczas reakcji, dzięki czemu zmiana temperatury jest niewielka. Zbiornik na wodę wyposażony jest w termometr i mieszadło mechaniczne.

Zmiany energii są mierzone przy praktycznie stałej objętości i temperaturze, więc nie jest wykonywana żadna praca nad reakcjami zachodzącymi w pompie.

ΔE = q

ΔE to zmiana energii wewnętrznej reakcji i q ciepła w niej wytwarzanego.

Rodzaje kalorymetrów

Kalorymetr izotermiczny do miareczkowania (CTI)

Kalorymetr ma dwie kuwety: w jednej umieszczana jest próbka, aw drugiej referencyjnej zazwyczaj umieszczana jest woda.

Różnica temperatur, która jest generowana między ogniwami - w wyniku reakcji zachodzącej w celi z próbką - jest niwelowana przez układ sprzężenia zwrotnego, który wstrzykuje ciepło w celu wyrównania temperatur ogniw.

Ten typ kalorymetru pozwala na śledzenie interakcji między makrocząsteczkami i ich ligandami.

Różnicowy kalorymetr skaningowy

Ten kalorymetr ma dwie komórki, podobnie jak CTI, ale ma urządzenie, które pozwala określić temperaturę i strumienie ciepła związane ze zmianami w materiale w funkcji czasu.

Ta technika dostarcza informacji o fałdowaniu białek i kwasów nukleinowych oraz ich stabilizacji.

Aplikacje

-Kalorymetria pozwala określić wymianę ciepła zachodzącą w reakcji chemicznej, co pozwala na lepsze zrozumienie jej mechanizmu.

- Określając ciepło właściwe materiału, kalorymetria dostarcza danych, które pomagają go zidentyfikować.

- Ponieważ istnieje bezpośrednia proporcjonalność między zmianą ciepła reakcji a stężeniem reagentów, w połączeniu z faktem, że kalorymetria nie wymaga klarownych próbek, technika ta może być stosowana do określania stężenia substancji obecnych w złożonych matrycach.

-W dziedzinie inżynierii chemicznej kalorymetria znajduje zastosowanie w procesie bezpieczeństwa, a także w różnych dziedzinach procesu optymalizacji, reakcji chemicznej oraz w jednostce operacyjnej.

Zastosowania izotermicznej kalorymetrii miareczkowej

-Współpracuje w ustalaniu mechanizmu działania enzymu, a także w jego kinetyce. Ta technika może mierzyć reakcje między cząsteczkami, określając powinowactwo wiązania, stechiometrię, entalpię i entropię w roztworze bez konieczności stosowania markerów.

-Ocena interakcji nanocząstek z białkami i, w połączeniu z innymi metodami analitycznymi, jest ważnym narzędziem do rejestrowania zmian konformacyjnych białek.

-Ma zastosowanie w konserwacji żywności i upraw.

-Jeśli chodzi o konserwację żywności, możesz określić jej zepsucie i okres przydatności do spożycia (aktywność mikrobiologiczna). Możesz porównać skuteczność różnych metod konserwowania żywności, a także określić optymalną dawkę konserwantów, a także określić stopień degradacji w kontroli pakowania.

-Jeśli chodzi o uprawy warzyw, możesz zbadać kiełkowanie nasion. Będąc w wodzie i w obecności tlenu wydzielają ciepło, które można zmierzyć za pomocą kalorymetru izotermicznego. Zbadaj wiek i niewłaściwe przechowywanie nasion i zbadaj ich tempo wzrostu w zależności od temperatury, pH lub różnych chemikaliów.

-Wreszcie może mierzyć aktywność biologiczną gleb. Ponadto może wykrywać choroby.

Zastosowania różnicowej kalorymetrii skaningowej

-Wraz z kalorymetrią izotermiczną pozwoliło na zbadanie interakcji białek z ich ligandami, oddziaływań allosterycznych, fałdowania białek i mechanizmu ich stabilizacji.

-Możesz bezpośrednio zmierzyć ciepło, które jest uwalniane lub absorbowane podczas zdarzenia wiązania molekularnego.

-Różnicowa kalorymetria skaningowa jest narzędziem termodynamicznym służącym do bezpośredniego ustalenia poboru energii cieplnej, która występuje w próbce. Umożliwia to analizę czynników związanych ze stabilnością cząsteczki białka.

-Baduje również termodynamikę przejścia fałdowania kwasu nukleinowego. Technika umożliwia określenie stabilności oksydacyjnej kwasu linolowego wyizolowanego i sprzężonego z innymi lipidami.

-Technika jest stosowana do oznaczania ilościowego nanocząstek stałych do użytku farmaceutycznego oraz do termicznej charakterystyki nanostrukturalnych transporterów lipidów.

Bibliografia

1. Whitten, K., Davis, R., Peck, M. and Stanley, G. Chemistry. (2008). 8th ed. Cengage Learning Edytuj.
2. Rehak, NN i Young, DS (1978). Potencjalne zastosowania kalorymetrii w laboratorium klinicznym. Clin. Chem. 24 (8): 1414-1419.
3. Stossel, F. (1997). Zastosowania kalorymetrii reakcyjnej w inżynierii chemicznej. J. Therm. Analny. 49 (3): 1677-1688.
4. Weber, PC i Salemme, FR (2003). Zastosowania metod kalorymetrycznych do odkrywania leków i badania interakcji białek. Curr. Opin. Struct. Biol. 13 (1): 115–121.
5. Gill, P., Moghadem, T. i Ranjbar, B. (2010). Techniki różnicowej kalorymetrii skaningowej: zastosowania w biologii i nanonauce. J. Biol Tech., 21 (4): 167-193.
6. Omanovic-Miklicanin, E., Manfield, I. and Wilkins, T. (2017). Zastosowania izotermicznej kalorymetrii miareczkowej w ocenie oddziaływań białko-nanocząstka. J. Therm. Analny. 127: 605-613.
7. Konsorcjum Community College ds. Poświadczeń nauk biologicznych. (7 lipca 2014). Kalorymetr z filiżanką kawy. . Pobrane 7 czerwca 2018 z: commons.wikimedia.org