KALORIMETRIA: ČO ŠTUDUJE A POUŽÍVA - CHÉMIA - 2025

Kalorimetria je technika, ktorá určuje zmeny v kalorického obsahu systéme spojené s chemickým alebo fyzikálnym procesom. Je založená na meraní zmien teploty, keď systém absorbuje alebo emituje teplo. Kalorimeter je zariadenie používané pri reakciách, pri ktorých dochádza k výmene tepla.

To, čo sa nazýva „šálka kávy“, je najjednoduchšia forma tohto typu spotrebiča. Jeho použitím sa meria množstvo tepla obsiahnuté v reakciách uskutočňovaných pri konštantnom tlaku vo vodnom roztoku. Kalorimeter na šálku kávy pozostáva z polystyrénovej nádoby, ktorá je umiestnená v kadičke.

Voda je umiestnená v polystyrénovej nádobe, ktorá je vybavená vekom vyrobeným z rovnakého materiálu, ktorý jej poskytuje určitý stupeň tepelnej izolácie. Okrem toho má nádoba teplomer a mechanické miešadlo.

Tento kalorimeter meria množstvo tepla, ktoré je absorbované alebo emitované v závislosti od toho, či je reakcia endotermická alebo exotermická, keď sa reakcia uskutočňuje vo vodnom roztoku. Študovaný systém sa skladá z reaktantov a produktov.

Čo študuje kalorimetria?

Kalorimetria skúma vzťah medzi tepelnou energiou spojenou s chemickou reakciou a tým, ako sa používa na stanovenie jej premenných. Ich použitie vo výskumných oblastiach odôvodňuje rozsah týchto metód.

Kalorická kapacita kalorimetra

Táto kapacita sa vypočíta vydelením množstva tepla absorbovaného kalorimetrom zmenou teploty. Táto zmena je produktom tepla, ktoré sa vyžaruje pri exotermickej reakcii a ktoré sa rovná:

Množstvo tepla absorbovaného kalorimetrom + množstvo tepla absorbovaného roztokom

Zmena môže byť stanovená pridaním známeho množstva tepla zmeraním zmeny teploty. Na toto stanovenie kalorickej kapacity sa zvyčajne používa kyselina benzoová, pretože je známe jej spaľovacie teplo (3 227 kJ / mol).

Kalorickú kapacitu je možné určiť aj pridaním tepla pomocou elektrického prúdu.

príklad

95 g kovového kúpeľa sa zahreje na 400 ° C a okamžite ho vezme na kalorimeter s 500 g vody, spočiatku na 20 ° C. Konečná teplota systému je 24 ° C. Vypočítajte špecifické teplo kovu.

Δq = mx ce x Δt

V tomto výraze:

Δq = zmena zaťaženia.

m = hmotnosť.

ce = merné teplo.

Δt = kolísanie teploty.

Teplo získané vodou sa rovná teplu vydávanému z kovovej tyče.

Táto hodnota je podobná hodnote, ktorá je uvedená v tabuľke špecifického tepla pre striebro (234 J / kg ºC).

Jednou z aplikácií kalorimetrie je teda spolupráca pri identifikácii materiálov.

Kalorimetrické čerpadlo

Skladá sa z oceľovej nádoby, známej ako čerpadlo, odolnej voči vysokým tlakom, ktoré môžu vzniknúť pri reakciách, ktoré sa vyskytujú v tejto nádobe; Táto nádoba je pripojená k obvodu zapaľovania, aby sa mohli začať reakcie.

Čerpadlo je ponorené vo veľkej nádobe s vodou, ktorej funkciou je absorbovať teplo, ktoré sa generuje v čerpadle počas reakcií, čo spôsobuje malé kolísanie teploty. Nádoba na vodu je vybavená teplomerom a mechanickým miešadlom.

Energetické zmeny sa merajú pri takmer konštantnom objeme a teplote, takže sa nevykonáva žiadna reakcia na reakciách, ktoré sa vyskytujú v čerpadle.

ΔE = q

ΔE je zmena vnútornej energie v reakcii a q v nej generované teplo.

Druhy kalorimetra

Izotermálny titračný kalorimeter (CTI)

Kalorimeter má dve bunky: do jednej sa umiestni vzorka a do druhej do referenčnej vody.

Teplotný rozdiel, ktorý sa vytvára medzi bunkami - v dôsledku reakcie, ktorá sa vyskytuje vo vzorkovacej komore - sa ruší pomocou systému spätnej väzby, ktorý vstrekuje teplo, aby sa vyrovnali teploty buniek.

Tento typ kalorimetra umožňuje sledovať interakciu medzi makromolekulami a ich ligandami.

Diferenčný skenovací kalorimeter

Tento kalorimeter má dve bunky, ako CTI, ale má zariadenie, ktoré umožňuje, aby sa teplotné a tepelné toky spojené so zmenami materiálu určovali ako funkcia času.

Táto technika poskytuje informácie o skladaní proteínov a nukleových kyselín, ako aj o ich stabilizácii.

aplikácia

- Kalorimetria umožňuje určiť výmenu tepla, ktorá sa vyskytuje pri chemickej reakcii, čo umožňuje jasnejšie pochopenie jej mechanizmu.

- Pri stanovení špecifického tepla materiálu poskytuje kalorimetria údaje, ktoré jej pomáhajú identifikovať.

- Keďže existuje priama úmernosť medzi tepelnou zmenou reakcie a koncentráciou reaktantov, ktorá je spojená so skutočnosťou, že kalorimetria nevyžaduje jasné vzorky, táto technika sa môže použiť na stanovenie koncentrácie látok prítomných v komplexných matriciach.

- V oblasti chemického inžinierstva sa kalorimetria používa v bezpečnostnom procese, ako aj v rôznych oblastiach optimalizačného procesu, chemickej reakcie a v prevádzkovej jednotke.

Použitie izotermálnej titračnej kalorimetrie

- Spolupracuje pri stanovení mechanizmu účinku enzýmu, ako aj pri jeho kinetike. Táto technika môže merať reakcie medzi molekulami, určovať väzobnú afinitu, stechiometriu, entalpiu a entropiu v roztoku bez potreby markerov.

- Hodnotí interakciu nanočastíc s proteínmi a spolu s inými analytickými metódami je dôležitým nástrojom na zaznamenávanie konformačných zmien proteínov.

- Má uplatnenie pri konzervovaní potravín a plodín.

- Ako na konzerváciu potravín, môžete určiť jej zhoršenie a trvanlivosť (mikrobiologická aktivita). Môžete porovnať účinnosť rôznych metód konzervovania potravín a ste schopní určiť optimálnu dávku konzervačných látok, ako aj degradáciu kontroly balenia.

- Rovnako ako v prípade rastlinných rastlín môžete študovať klíčenie semien. Keďže sú vo vode a v prítomnosti kyslíka, uvoľňujú teplo, ktoré je možné merať izotermickým kalorimetrom. Preskúmajte vek a nesprávne skladovanie semien a študujte ich rýchlosť rastu pri kolísaní teploty, pH alebo rôznych chemikálií.

- Nakoniec, môže merať biologickú aktivitu pôdy. Okrem toho dokáže zistiť choroby.

Použitie diferenčnej skenovacej kalorimetrie

- Spolu s izotermickou kalorimetriou bolo možné študovať interakciu proteínov s ich ligandami, alosterickú interakciu, skladanie proteínov a mechanizmus ich stabilizácie.

-Môžete priamo zmerať teplo, ktoré sa uvoľňuje alebo absorbuje počas udalosti molekulárnej väzby.

-Diferenciálna skenovacia kalorimetria je termodynamický nástroj na priame stanovenie spotreby tepelnej energie, ktorá sa vyskytuje vo vzorke. To umožňuje analyzovať faktory zapojené do stability proteínovej molekuly.

- Študuje tiež termodynamiku prechodu nukleových kyselín. Táto technika umožňuje stanovenie oxidačnej stability izolovanej kyseliny linolovej a naviazanej na iné lipidy.

- Technika sa uplatňuje pri kvantifikácii nanosolidov na farmaceutické použitie a pri tepelnej charakterizácii nanoštruktúrovaných lipidových transportérov.

Referencie

1. Whitten, K., Davis, R., Peck, M. a Stanley, G. Chemistry. (2008). 8. vydanie. Cengage Learning Edit.
2. Rehak, NN a Young, DS (1978). Perspektívne aplikácie kalorimetrie v klinickom laboratóriu. Clin. Chem. 24 (8): 1414-1419.
3. Stossel, F. (1997). Aplikácie reakčnej kalorimetrie v chemickom inžinierstve. J. Therm. Anal. 49 (3): 1677-1688.
4. Weber, PC a Salemme, FR (2003). Aplikácia kalorimetrických metód na objavovanie liekov a štúdium proteínových interakcií. Akt. Opin. Struct. Biol. 13 (1): 115-121.
5. Gill, P., Moghadem, T. a Ranjbar, B. (2010). Diferenčné skenovacie kalorimetrické techniky: aplikácie v biológii a nanovedy. J. Biol. Tech. 21 (4): 167-193.
6. Omanovic-Miklicanin, E., Manfield, I. a Wilkins, T. (2017). Aplikácia izotermálnej titračnej kalorimetrie pri hodnotení interakcií proteín-nanočastica. J. Therm. Anal. 127: 605-613.
7. Konzorcium pre vysokoškolské vzdelanie Spoločenstva. (7. júla 2014). Kalorimeter šálky kávy. , Zdroj: 7. júna 2018, z: commons.wikimedia.org