Calorimetrie Ce studii și aplicații

calorimetrie este o tehnică care determină modificările în conținutul caloric al unui sistem asociat cu un proces chimic sau fizic. Se bazează pe măsurarea schimbărilor de temperatură atunci când un sistem absoarbe sau emite căldură. Calorimetrul este echipamentul utilizat în reacțiile în care este implicat un schimb de căldură.

Ceea ce este cunoscut ca o "ceașcă de cafea" este cea mai simplă formă a acestui tip de dispozitiv. Prin utilizarea sa, se măsoară cantitatea de căldură implicată în reacțiile efectuate la presiune constantă într-o soluție apoasă. Un calorimetru tip cana de cafea este alcătuit dintr-un recipient din polistiren, care este plasat într-un pahar.

Apa este plasată în recipientul de polistiren, echipat cu un capac din același material care îi conferă un anumit grad de izolare termică. În plus, recipientul are un termometru și un agitator mecanic.

În acest calorimetru, cantitatea de căldură absorbită sau emisă este măsurată, în funcție de dacă reacția este endotermă sau exotermă, atunci când are loc o reacție într-o soluție apoasă. Sistemul care trebuie studiat este compus din reactanți și din produse.

index

• 1 Ce studiați?
• 2 Capacitatea calorică a unui calorimetru
  • 2.1 Exemplu de utilizare a calorimetrului pentru a calcula căldura specifică
• 3 pompă calorimetrică
• 4 Tipuri de calorimetru
  • 4.1 Calorimetrul de titrare izotermică (CTI)
  • 4.2. Calorimetru diferențial de scanare
• 5 Aplicații
  • 5.1 Utilizarea calorimetriei de titrare izotermică
  • 5.2 Utilizarea calorimetriei de scanare diferențială
• 6 Referințe

Ce studiați?

Calorimetria studiază relația care are energia calorică asociată cu o reacție chimică și modul în care este utilizată pentru a determina variabilele acesteia. Aplicațiile lor în domeniile cercetării justifică scopul acestor metode.

Capacitatea calorică a unui calorimetru

Această capacitate este calculată prin împărțirea cantității de căldură absorbită de calorimetru de variația temperaturii. Această variație este un produs al căldurii emise într-o reacție exotermă, care este egală cu:

Cantitatea de căldură absorbită de calorimetru + cantitatea de căldură absorbită de soluție

Variația poate fi determinată prin adăugarea unei cantități cunoscute de căldură prin măsurarea schimbării temperaturii. Pentru determinarea capacității calorice, se utilizează de obicei acid benzoic, deoarece se cunoaște căldura de ardere (3,227 kJ / mol).

Capacitatea calorică poate fi determinată și prin adăugarea de căldură de către un curent electric.

exemplude utilizare a calorimetrului pentru a calcula căldura specifică

O bară de 95 g de metal este încălzită la 400 ° C, luând imediat un calorimetru cu 500 g de apă, inițial la 20 ° C. Temperatura finală a sistemului este de 24 ° C. Calculați căldura specifică a metalului.

Δq = m x ce x Δt

În această expresie:

Δq = variația sarcinii.

m = masa.

ce = căldură specifică.

Δt = variația temperaturii.

Căldura câștigată de apă este egală cu căldura eliberată de bara metalică.

Această valoare seamănă cu o masă specifică de căldură pentru argint (234 J / kg ºC).

Deci, una dintre aplicațiile de calorimetrie este cooperarea pentru identificarea materialelor.

Pompă calorimetrică

Se compune dintr-un recipient din oțel, cunoscut sub numele de pompă, rezistent la presiunile ridicate care pot apărea în timpul reacțiilor care apar în acest recipient; Acest container este conectat la un circuit de aprindere pentru a porni reacțiile.

Pompa este scufundată într-un recipient mare cu apă, a cărui funcție este de a absorbi căldura generată în pompă în timpul reacțiilor, ceea ce face ca variația temperaturii să fie mică. Rezervorul de apă este echipat cu un termometru și un agitator mecanic.

Schimbările de energie se măsoară practic la volum constant și temperatură, astfel încât nu se face nici o lucrare privind reacțiile care apar în pompă.

ΔE = q

ΔE este variația energiei interne în reacție și q căldura generată în ea.

Tipuri de calorimetre

Calorimetru de titrare izotermică (CTI)

Calorimetrul are două celule: într-o probă este plasată și în cealaltă, cea de referință, de obicei este plasată apă.

Diferența de temperatură care este generată între celule - datorită reacției care apare în celula eșantionului - este anulată de un sistem de feedback care injectează căldura pentru a egaliza temperaturile celulelor.

Acest tip de calorimetru permite urmărirea interacțiunii dintre macromolecule și liganzii lor.

Calorimetru de scanare diferențială

Acest calorimetru are două celule, la fel ca CTI, dar are un dispozitiv care permite determinarea temperaturii și a fluxurilor de căldură asociate cu schimbările unui material în funcție de timp.

Această tehnică oferă informații despre plierea proteinelor și acizilor nucleici, precum și despre stabilizarea acestora.

aplicații

- Calorimetria permite determinarea schimbului de căldură care are loc într-o reacție chimică, permițând înțelegerea mai clară a mecanismului.

- Cu determinarea căldurii specifice a unui material, calorimetria furnizează date care ajută la identificarea acesteia.

- Întrucât există o proporționalitate directă între schimbarea căldurii unei reacții și concentrația reactanților, cuplată cu faptul că calorimetria nu necesită probe clare, această tehnică poate fi utilizată pentru a determina concentrația de substanțe prezente în matrice complexe.

- În domeniul ingineriei chimice, calorimetria este utilizată în procesul de siguranță, precum și în diferite domenii ale procesului de optimizare, reacției chimice și ale unității de operare.

Utilizări ale calorimetriei de titrare izotermică

-Collaborarea în stabilirea mecanismului de acțiune enzimatică, precum și a cineticii sale. Această tehnică poate măsura reacțiile dintre molecule, determinând afinitatea de legare, stoichiometria, entalpia și entropia în soluție fără a fi nevoie de markeri.

-Evaluă interacțiunea nanoparticulelor cu proteine ​​și, împreună cu alte metode analitice, este un instrument important pentru înregistrarea modificărilor conformaționale ale proteinelor.

- Are aplicații în conservarea alimentelor și culturilor.

- În ceea ce privește conservarea alimentelor, puteți determina deteriorarea și timpul de viață pe rafturi (activitatea microbiologică). Puteți compara eficiența diferitelor metode de conservare a alimentelor și puteți determina doza optimă de conservanți, precum și degradarea în controlul ambalajelor.

- În ceea ce privește culturile de legume, puteți studia germinarea semințelor. Fiind în apă și în prezența oxigenului, ele eliberează căldură care poate fi măsurată cu un calorimetru izotermic. Ea analizează vârsta și stocarea inadecvată a semințelor și își studiază rata de creștere atunci când se confruntă cu variații ale temperaturii, pH-ului sau diferitelor produse chimice.

- În final, poate măsura activitatea biologică a solurilor. În plus, poate detecta bolile.

Utilizări ale calorimetriei de scanare diferențială

- În combinație cu calorimetria izotermică, a permis studierea interacțiunii proteinelor cu liganzii lor, interacțiunea alosterică, plierea proteinelor și mecanismul de stabilizare a acestora.

- Căldura care este eliberată sau absorbită în timpul unui eveniment de legare moleculară poate fi măsurată direct.

- Calorimetria de scanare diferențială este un instrument termodinamic pentru stabilirea directă a capturii de energie calorică care apare într-o probă. Acest lucru ne permite să analizăm factorii care intervin în stabilitatea moleculei de proteine.

De asemenea, studiază termodinamica tranziției de pliere a acidului nucleic. Tehnica permite determinarea stabilității oxidative a acidului linoleic izolat și cuplat cu alte lipide.

- Tehnica este aplicată în cuantificarea nano-solide farmaceutice și în caracterizarea termică a transportorilor de lipide nanostructurate.

referințe

1. Whitten, K., Davis, R., Peck, M. și Stanley, G. chimie. (2008). Al 8-lea ed. Învățarea educației în domeniul educației.
2. Rehak, N. N. și Young, D. S. (1978). Aplicații prospective de calorimetrie în laboratorul clinic. Clin. Chem., 24 (8): 1414-1419.
3. Stossel, F. (1997). Aplicații ale calorimetriei de reacție în ingineria chimică. J. Therm. Anal. 49 (3): 1677-1688.
4. Weber, P. C. și Salemme, F. R. (2003). Aplicarea metodelor calorimetrice pentru descoperirea de medicamente și studiul interacțiunilor proteice. Curr. Opin. Struct. Biol. 13 (1): 115-121.
5. Gill, P., Moghadem, T. și Ranjbar, B. (2010). Tehnici calorimetrice de scanare diferențială: aplicații în biologie și nanoștiințe. J. Biol. Tech. 21 (4): 167-193.
6. Omanovic-Miklicanin, E., Manfield, I. și Wilkins, T. (2017). Aplicații ale calorimetriei de titrare izotermică în evaluarea interacțiunilor protein-nanoparticule. J. Therm. Anal. 127: 605-613.
7. Community College Consortium pentru acreditări în domeniul bioscienței. (7 iulie 2014). Calorimetru pentru cești de cafea. [Figura]. Adus la data de 7 iunie 2018 de la: commons.wikimedia.org