KALORIMETRIJA: ONO ŠTO PROUČAVA I PRIMJENA - KEMIJA - 2025

Kalorimetrija je tehnika koja uvjetuje promjene sadržaja kalorija sustava povezanih s kemijskim ili fizičkog procesa. Temelji se na mjerenju temperaturnih promjena kada sustav apsorbira ili emitira toplinu. Kalorimetar je oprema koja se koristi u reakcijama u kojima je uključena izmjena topline.

Ono što je poznato kao "šalica za kavu" je najjednostavniji oblik ove vrste uređaja. Njenim korištenjem mjeri se količina topline uključene u reakcije provedene pod konstantnim tlakom u vodenoj otopini. Kalorimetar za šalicu kave sastoji se od polistirenske posude, koja je postavljena u čašu.

Voda se stavlja u spremnik od polistirena, opremljen poklopcem od istog materijala koji mu daje određeni stupanj toplinske izolacije. Pored toga, spremnik ima termometar i mehaničku miješalicu.

Ovaj kalorimetar mjeri količinu topline koja se apsorbira ili emitira, ovisno o tome je li reakcija endotermična ili egzotermna, kada se reakcija odvija u vodenoj otopini. Sustav koji se proučava sastoji se od reaktanata i produkata.

Što proučava kalorimetrija?

Kalorimetrija proučava odnos toplinske energije povezane s kemijskom reakcijom i načina na koji se koristi za utvrđivanje njegovih varijabli. Njihova primjena na istraživačkim područjima opravdava opseg tih metoda.

Kalorični kapacitet kalorimetra

Taj se kapacitet izračunava dijeljenjem količine topline koju apsorbira kalorimetar promjenom temperature. Ova varijacija je produkt topline koja se emitira u egzotermičkoj reakciji koja je jednaka:

Količina topline apsorbirane kalorimetrom + količina topline apsorbirane otopinom

Varijacija se može odrediti dodavanjem poznate količine topline mjerenjem promjene temperature. Za određivanje kalorijske sposobnosti obično se koristi benzojeva kiselina, budući da je poznata njezina toplina izgaranja (3,227 kJ / mol).

Kalorični kapacitet se također može odrediti dodavanjem topline pomoću električne struje.

Primjer

Metalna bara od 95 g zagrijava se na 400 ° C, a zatim se odnese na kalorimetar s 500 g vode, u početku na 20 ° C. Krajnja temperatura sustava je 24 ºC. Izračunajte specifičnu toplinu metala.

Δq = mx ce x Δt

U ovom izrazu:

Δq = varijacija opterećenja.

m = masa.

ce = specifična toplina.

Δt = odstupanje temperature.

Toplina dobivena vodom jednaka je toplini koja se odvodi iz metalne šipke.

Ova vrijednost je slična onoj koja se nalazi u tablici specifične topline za srebro (234 J / kg ºC).

Dakle, jedna od primjena kalorimetrije je suradnja u prepoznavanju materijala.

Kalorimetrijska pumpa

Sastoji se od čeličnog spremnika, poznatog kao pumpa, otpornog na visoke pritiske koji mogu nastati tijekom reakcija koje se događaju u ovom spremniku; Ovaj spremnik je spojen na krug paljenja radi pokretanja reakcija.

Crpka je uronjena u veliki spremnik s vodom, čija je funkcija apsorbirati toplinu koja se stvara u pumpi tijekom reakcija, čineći temperaturne razlike malo. Spremnik za vodu opremljen je termometrom i mehaničkom miješalicom.

Promjene energije mjere se na gotovo konstantnom volumenu i temperaturi, tako da se ne radi na reakcijama koje se događaju u pumpi.

ΔE = q

ΔE je varijacija unutarnje energije u reakciji i q topline koja se u njoj stvara.

Vrste kalorimetra

Izotermalni kalorimetar titracije (CTI)

Kalorimetar ima dvije ćelije: u jednu se stavlja uzorak, a u drugu se obično postavlja voda.

Temperaturna razlika koja nastaje između stanica - zbog reakcije koja se događa u uzorku ćelije - otkazuje se sustavom povratnih informacija koji ubrizgava toplinu kako bi se izjednačile temperature stanica.

Ova vrsta kalorimetra omogućava praćenje interakcije između makromolekula i njihovih liganda.

Diferencijalni kalorimetar za skeniranje

Ovaj kalorimetar ima dvije ćelije, poput CTI, ali ima uređaj koji omogućava da se temperatura i toplinski tokovi povezani s promjenama u materijalu odrede kao funkcija vremena.

Ova tehnika daje informacije o sakupljanju proteina i nukleinskih kiselina, kao i njihovoj stabilizaciji.

Prijave

-Kalorimetrija omogućava određivanje izmjene topline koja se događa u kemijskoj reakciji, omogućavajući jasnije razumijevanje njezinog mehanizma.

-Kod određivanja specifične topline materijala, kalorimetrija pruža podatke koji ga pomažu u prepoznavanju.

-S obzirom da postoji izravna proporcija između reakcije topline i koncentracije reaktanata, zajedno s činjenicom da kalorimetrija ne zahtijeva jasne uzorke, ova se tehnika može koristiti za određivanje koncentracije tvari prisutnih u složenim matricama.

-U području kemijskog inženjerstva kalorimetrija se koristi u procesu sigurnosti, kao i u različitim poljima procesa optimizacije, kemijske reakcije i u radnoj jedinici.

Primjene izotermalne kalorimetrije titracije

- Surađuje u uspostavljanju mehanizma djelovanja enzima, kao iu njegovoj kinetičnosti. Ovom se tehnikom mogu mjeriti reakcije između molekula, određivanje afiniteta vezanja, stehiometrije, entalpije i entropije u otopini bez potrebe za markerima.

-Pregleda interakciju nanočestica s proteinima i u kombinaciji s drugim analitičkim metodama važan je alat za bilježenje konformacijskih promjena proteina.

-Ima primjenu u očuvanju hrane i usjeva.

-Za očuvanje hrane možete odrediti njeno propadanje i rok trajanja (mikrobiološka aktivnost). Možete usporediti učinkovitost različitih metoda konzerviranja hrane i u mogućnosti ste odrediti optimalnu dozu konzervansa, kao i degradaciju u kontroli ambalaže.

-Što se tiče povrća, možete proučiti klijavost sjemena. Budući da su u vodi i u prisutnosti kisika, oni oslobađaju toplinu koja se može mjeriti izotermalnim kalorimetrom. Ispitajte dob i nepravilno skladištenje sjemenki i proučite njihovu brzinu rasta pod promjenama temperature, pH ili različitih kemikalija.

-Na kraju, može se mjeriti biološka aktivnost tla. Osim toga, može otkriti bolesti.

Upotrebe diferencijalne skenirajuće kalorimetrije

-Zajedno s izotermalnom kalorimetrijom, omogućeno je proučavanje interakcije proteina sa njihovim ligandima, alosterne interakcije, savijanje proteina i mehanizam njihove stabilizacije.

- Toplina koja se oslobađa ili apsorbira tijekom događaja molekularnog vezivanja može se izravno mjeriti.

-Diferencijalna kalorimetrija za skeniranje je termodinamički alat za izravno uspostavljanje utroška toplinske energije koja se javlja u uzorku. To omogućava analizu čimbenika koji sudjeluju u stabilnosti proteinske molekule.

-Takođe proučava termodinamiku prijelaza nukleinske kiseline. Tehnika omogućava određivanje oksidativne stabilnosti izolirane linolne kiseline i vezano sa ostalim lipidima.

Tehnika se primjenjuje u kvantifikaciji nanosolida za farmaceutsku upotrebu i u termičkoj karakterizaciji nanostrukturnih transportera lipida.

Reference

1. Whitten, K., Davis, R., Peck, M. i Stanley, G. Chemistry. (2008). 8. izd. Udruživanje učenja Edit.
2. Rehak, NN i Young, DS (1978). Buduće primjene kalorimetrije u kliničkom laboratoriju. Clin. Kem.24 (8): 1414-1419.
3. Stossel, F. (1997). Primjene reakcijske kalorimetrije u kemijskom inženjerstvu. J. Therm. Analni. 49 (3): 1677-1688.
4. Weber, PC i Salemme, FR (2003). Primjena kalorimetrijskih metoda u otkrivanju lijekova i proučavanju interakcija proteina. Curi. Opin. Struct. Biol. 13 (1): 115-121.
5. Gill, P., Moghadem, T. i Ranjbar, B. (2010). Diferencijalne kalorimetrijske tehnike skeniranja: primjene u biologiji i nanoznanosti. J. Biol. Tech. 21 (4): 167-193.
6. Omanović-Miklicanin, E., Manfield, I. i Wilkins, T. (2017). Primjene izotermalne kalorimetrije titracije u procjeni interakcija proteina i nanočestica. J. Therm. Analni. 127: 605-613.
7. Konzorcij za vjerodajnice bioloških znanosti Community College. (7. srpnja 2014.). Kalorimetar za šalicu kave., Preuzeto 7. lipnja 2018. s: commons.wikimedia.org