CALORIMETRIE: CE STUDIAZĂ ȘI APLICAȚII - CHIMIE - 2025

Calorimetria este o tehnică ce determină modificările conținutului 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 sub numele de „ceașcă de cafea” este cea mai simplă formă a acestui tip de aparat. Prin utilizarea acesteia, se măsoară cantitatea de căldură implicată în reacțiile efectuate la presiune constantă într-o soluție apoasă. Un calorimetru pentru ceașcă de cafea este format dintr-un recipient de polistiren, care este plasat într-un pahar.

Apa este plasată în recipientul din 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.

Acest calorimetru măsoară cantitatea de căldură care este absorbită sau emisă, în funcție de dacă reacția este endotermă sau exotermică, când o reacție are loc într-o soluție apoasă. Sistemul de studiat este format din reactanți și produse.

Ce studiază calorimetria?

Calorimetria studiază relația dintre energia termică asociată cu o reacție chimică și modul în care este utilizată pentru a determina variabilele sale. Aplicațiile lor în domeniile de cercetare justifică domeniul de aplicare al acestor metode.

Capacitatea calorică a unui calorimetru

Această capacitate este calculată prin împărțirea cantității de căldură absorbită de calorimetru la modificarea temperaturii. Această variație este produsul căldurii emise într-o reacție exotermică, 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 modificării temperaturii. Pentru această determinare a capacității calorice, se folosește de obicei acidul benzoic, deoarece se cunoaște căldura sa de ardere (3.227 kJ / mol).

Capacitatea calorică poate fi, de asemenea, determinată prin adăugarea de căldură folosind un curent electric.

Exemplu

O bară de 95 g dintr-un metal este încălzită la 400 ºC, ducându-l imediat la un calorimetru cu 500 g de apă, inițial la 20 ºC. Temperatura finală a sistemului este de 24 ºC. Calculați căldura specifică a metalului.

Δq = mx ce x Δt

În această expresie:

Δq = variația sarcinii.

m = masa.

ce = căldură specifică.

Δt = variația temperaturii.

Căldura obținută de apă este egală cu căldura emisă din bara de metal.

Această valoare este similară cu cea care apare într-un tabel al căldurii specifice pentru argint (234 J / kg ºC).

Așadar, una dintre aplicațiile calorimetriei este cooperarea pentru identificarea materialelor.

Pompă calorimetrică

Este format dintr-un recipient de oțel, cunoscut sub numele de pompă, rezistent la presiunile mari care pot apărea în timpul reacțiilor care apar în acest recipient; Acest container este conectat la un circuit de aprindere pentru a începe reacțiile.

Pompa este cufundată într-un recipient mare cu apă, a cărei funcție este de a absorbi căldura generată în pompă în timpul reacțiilor, făcând variația temperaturii mică. Recipientul de apă este echipat cu un termometru și un agitator mecanic.

Modificările de energie sunt măsurate la volum și temperatură practic constante, astfel încât nu se lucrează la reacțiile care apar în pompă.

ΔE = q

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

Tipuri de calorimetru

Calorimetru de titrare izotermă (CTI)

Calorimetrul are două celule: într-una eșantionul este plasat și în cealaltă, de referință, se plasează în general apă.

Diferența de temperatură generată între celule - datorită reacției care are loc în celula probă - este anulată de un sistem de feedback care injectează căldură pentru a egaliza temperaturile celulelor.

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

Calorimetru de scanare diferențială

Acest calorimetru are două celule, cum ar fi CTI, dar are un dispozitiv care permite determinarea temperaturii și a fluxurilor de căldură asociate cu modificările unui material în funcție de timp.

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

Aplicații

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

-Pentru a determina căldura specifică a unui material, calorimetria furnizează date care ajută la identificarea acestuia.

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

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

Utilizarea calorimetriei de titrare izotermă

-Colaborează la stabilirea mecanismului de acțiune enzimatică, precum și în cinetica acestuia. Această tehnică poate măsura reacțiile dintre molecule, determinând afinitatea de legare, stoechiometria, entalpia și entropia în soluție, fără a fi nevoie de markeri.

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

-Are aplicare în conservarea alimentelor și a culturilor.

-În ceea ce privește conservarea alimentelor, puteți determina deteriorarea acestuia și durata de valabilitate (activitate microbiologică). Puteți compara eficiența diferitelor metode de conservare a alimentelor și puteți determina doza optimă de conservanți, precum și degradarea controlului ambalajului.

-Cât pentru culturile de legume, puteți studia germinarea seminței. Fiind în apă și în prezența oxigenului, ele eliberează căldură care poate fi măsurată cu un calorimetru izoterm. Examinați vârsta și depozitarea necorespunzătoare a semințelor și studiați rata de creștere a acestora sub variații de temperatură, pH sau diferite substanțe chimice.

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

Utilizări ale calorimetriei cu scanare diferențială

-Împreună cu calorimetria izotermă, a făcut posibilă studierea interacțiunii proteinelor cu liganzii lor, interacțiunea alosterică, plierea proteinelor și mecanismul stabilizării acestora.

-Puteți măsura direct căldura care este eliberată sau absorbită în timpul unui eveniment de legare moleculară.

-Calorimetria cu scanare diferențială este un instrument termodinamic pentru stabilirea directă a absorbției energiei termice care are loc într-un eșantion. Acest lucru face posibilă analiza factorilor implicați în stabilitatea moleculei proteice.

-Se studiază și termodinamica tranziției de pliere a acidului nucleic. Tehnica permite determinarea stabilității oxidative a acidului linoleic izolat și cuplat la alte lipide.

-Tehnica este aplicată în cuantificarea nanosolidelor pentru uz farmaceutic și în caracterizarea termică a transportoarelor de lipide nanostructurate.

Referințe

1. Whitten, K., Davis, R., Peck, M. și Stanley, G. Chimie. (2008). A 8-a ed. Cengage Learning Edit.
2. Rehak, NN și Young, DS (1978). Aplicații potențiale ale calorimetriei în laboratorul clinic. Clin. Chem. 24 (8): 1414-1419.
3. Stossel, F. (1997). Aplicații ale calorimetriei reacției în inginerie chimică. J. Therm. Anal. 49 (3): 1677-1688.
4. Weber, PC și Salemme, FR (2003). Aplicații ale metodelor calorimetrice la descoperirea medicamentului 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 nanoștiință. J. Biol. Tehnica 21 (4): 167-193.
6. Omanovic-Miklicanin, E., Manfield, I. și Wilkins, T. (2017). Aplicații de calorimetrie de titrare izotermă în evaluarea interacțiunilor proteină-nanoparticule. J. Therm. Anal. 127: 605-613.
7. Consorțiul colegiului comunitar pentru credințe de biosiență. (7 iulie 2014). Calorimetru pentru ceașcă de cafea. . Preluat pe 7 iunie 2018, de pe: commons.wikimedia.org