CALORIMETRY: CO TO STUDUJE A APLIKACE - CHEMIE - 2025

Kalorimetrie je technika, která určuje změny v kalorického obsahu systému spojené s chemickým nebo fyzikálním procesem. Je založeno na měření změn teploty, když systém absorbuje nebo vydává teplo. Kalorimetr je zařízení používané v reakcích, při kterých dochází k výměně tepla.

To, co se nazývá „šálek kávy“, je nejjednodušší forma tohoto typu spotřebiče. Jeho použitím se měří množství tepla zapojeného do reakcí prováděných za stálého tlaku ve vodném roztoku. Kalorimetr kávového šálku sestává z polystyrénové nádoby, která je umístěna v kádince.

Voda je umístěna do polystyrenového kontejneru, opatřeného víkem vyrobeným ze stejného materiálu, který jí poskytuje určitý stupeň tepelné izolace. Nádoba má navíc teploměr a mechanické míchadlo.

Tento kalorimetr měří množství tepla, které je absorbováno nebo emitováno v závislosti na tom, zda je reakce endotermická nebo exotermická, když se reakce provádí ve vodném roztoku. Systém, který má být studován, se skládá z reakčních složek a produktů.

Co studuje kalorimetrie?

Kalorimetrie studuje vztah mezi tepelnou energií spojenou s chemickou reakcí a jak se používá k určení jejích proměnných. Jejich aplikace ve výzkumných oborech ospravedlňují rozsah těchto metod.

Kalorická kapacita kalorimetru

Tato kapacita se vypočítá vydělením množství tepla absorbovaného kalorimetrem změnou teploty. Tato variace je produktem tepla, které je emitováno při exotermické reakci, která je rovna:

Množství tepla absorbovaného kalorimetrem + množství tepla absorbovaného roztokem

Tato změna může být stanovena přidáním známého množství tepla změřením změny teploty. K tomuto stanovení kalorické kapacity se obvykle používá kyselina benzoová, protože je známo její spalovací teplo (3 227 kJ / mol).

Kalorická kapacita může být také stanovena přidáním tepla pomocí elektrického proudu.

Příklad

95 g baru kovu se zahřeje na 400 ° C a okamžitě ho vezme na kalorimetr s 500 g vody, zpočátku na 20 ° C. Konečná teplota systému je 24 ° C. Vypočítejte měrné teplo kovu.

Δq = mx ce x Δt

V tomto výrazu:

Δq = změna zatížení.

m = hmotnost.

ce = měrné teplo.

Δt = kolísání teploty.

Teplo získané vodou se rovná teplu vydávanému z kovové tyče.

Tato hodnota je podobná té, která je uvedena v tabulce měrného tepla pro stříbro (234 J / kg ºC).

Jednou z aplikací kalorimetrie je tedy spolupráce při identifikaci materiálů.

Kalorimetrické čerpadlo

Skládá se z ocelové nádoby, známé jako čerpadlo, odolné vůči vysokým tlakům, které mohou vzniknout během reakcí, které se vyskytují v této nádobě; Tento kontejner je připojen k zapalovacímu okruhu, aby se zahájily reakce.

Čerpadlo je ponořeno do velké nádoby s vodou, jejíž funkcí je absorbovat teplo, které je generováno v čerpadlech během reakcí, čímž je změna teploty malá. Nádoba na vodu je vybavena teploměrem a mechanickým míchadlem.

Energetické změny se měří při prakticky konstantním objemu a teplotě, takže se neprovádí žádná reakce na reakcích, které se vyskytují v čerpadle.

ΔE = q

ΔE je změna vnitřní energie v reakci a q v ní vytvořené teplo.

Druhy kalorimetru

Izotermální titrační kalorimetr (CTI)

Kalorimetr má dvě buňky: do jedné se umístí vzorek a do druhé se umístí referenční voda.

Teplotní rozdíl, který je generován mezi buňkami - v důsledku reakce, která se vyskytuje v buňce vzorku - je zrušen zpětnovazebním systémem, který vstřikuje teplo, aby se vyrovnaly teploty buněk.

Tento typ kalorimetru umožňuje sledovat interakci mezi makromolekuly a jejich ligandy.

Diferenční skenovací kalorimetr

Tento kalorimetr má dvě buňky, jako je CTI, ale má zařízení, které umožňuje, aby teplotní a tepelné toky spojené se změnami v materiálu byly určeny jako funkce času.

Tato technika poskytuje informace o skládání proteinů a nukleových kyselin a jejich stabilizaci.

Aplikace

- Kalorimetrie umožňuje určit výměnu tepla, ke které dochází při chemické reakci, což umožňuje jasnější pochopení jejího mechanismu.

- Při určování měrného tepla materiálu poskytuje kalorimetrie data, která ji pomáhají identifikovat.

- Protože existuje přímá úměrnost mezi tepelnou změnou reakce a koncentrací reakčních složek ve spojení se skutečností, že kalorimetrie nevyžaduje jasné vzorky, lze tuto techniku ​​použít ke stanovení koncentrace látek přítomných ve složitých matricích.

- V oblasti chemického inženýrství se kalorimetrie používá v bezpečnostním procesu i v různých oblastech optimalizačního procesu, chemické reakce a v provozní jednotce.

Použití izotermální titrační kalorimetrie

- Spolupracuje při stanovení mechanismu účinku enzymu, stejně jako v jeho kinetice. Tato technika může měřit reakce mezi molekulami, určovat vazebnou afinitu, stechiometrii, entalpii a entropii v roztoku bez potřeby markerů.

- Posoudí interakci nanočástic s proteiny a ve spojení s jinými analytickými metodami je důležitým nástrojem pro záznam konformačních změn proteinů.

- Má uplatnění při konzervování potravin a plodin.

-V případě uchovávání potravin můžete určit jeho zhoršení a trvanlivost (mikrobiologická aktivita). Můžete porovnat účinnost různých metod konzervace potravin a jste schopni určit optimální dávku konzervačních látek a degradaci kontroly balení.

- Stejně jako u rostlinných plodin můžete studovat klíčivost semen. Protože jsou ve vodě a v přítomnosti kyslíku, uvolňují teplo, které lze měřit izotermickým kalorimetrem. Prohlédněte si stáří a nesprávné skladování semen a studujte jejich rychlost růstu při změnách teploty, pH nebo různých chemikálií.

- Konečně může měřit biologickou aktivitu půd. Kromě toho dokáže detekovat nemoci.

Použití diferenciální skenovací kalorimetrie

- Spolu s izotermickou kalorimetrií bylo možné studovat interakci proteinů s jejich ligandy, alosterickou interakci, skládání proteinů a mechanismus jejich stabilizace.

-Můžete přímo měřit teplo, které se uvolňuje nebo absorbuje během molekulární vazby.

-Diferenciální skenovací kalorimetrie je termodynamický nástroj pro přímé stanovení absorpce tepelné energie, která se vyskytuje ve vzorku. To umožňuje analyzovat faktory podílející se na stabilitě proteinové molekuly.

- Studuje také termodynamiku přechodu skládací nukleové kyseliny. Tato technika umožňuje stanovení oxidační stability izolované kyseliny linolové a navázané na jiné lipidy.

- Technika se používá při kvantifikaci nanosolidů pro farmaceutické použití a při tepelné charakterizaci nanostrukturovaných lipidových transportérů.

Reference

1. Whitten, K., Davis, R., Peck, M. a Stanley, G. Chemistry. (2008). 8. ed. Cengage Learning Edit.
2. Rehak, NN a Young, DS (1978). Perspektivní aplikace kalorimetrie v klinické laboratoři. Clin. Chem. 24 (8): 1414-1419.
3. Stossel, F. (1997). Aplikace reakční kalorimetrie v chemickém inženýrství. J. Therm. Anální. 49 (3): 1677-1688.
4. Weber, PC a Salemme, FR (2003). Aplikace kalorimetrických metod při objevování léčiv a studium proteinových interakcí. Měna. Opin. Struktura. Biol. 13 (1): 115-121.
5. Gill, P., Moghadem, T. a Ranjbar, B. (2010). Diferenciální skenovací kalorimetrické techniky: aplikace v biologii a nanovědě. J. Biol. Tech. 21 (4): 167-193.
6. Omanovic-Miklicanin, E., Manfield, I. a Wilkins, T. (2017). Aplikace izotermální titrační kalorimetrie při hodnocení interakcí protein-nanočástice. J. Therm. Anální. 127: 605-613.
7. Komunitní vysokoškolské konsorcium pro pověření Bioscience. (7. července 2014). Kalorimetr šálku kávy.. Citováno 7. června 2018 z: commons.wikimedia.org