Kalorymetria Jakie badania i zastosowania

The kalorymetria jest to technika, która określa zmiany w kaloryczności systemu związanego z procesem chemicznym lub fizycznym. Opiera się na pomiarze zmian temperatury, gdy system absorbuje lub emituje ciepło. Kalorymetr jest urządzeniem wykorzystywanym w reakcjach, w które zaangażowana jest wymiana ciepła.

„Kubek kawy” to najprostsza forma tego typu urządzenia. Przez jego zastosowanie mierzy się ilość ciepła zaangażowanego w reakcjach prowadzonych pod stałym ciśnieniem w roztworze wodnym. Kalorymetr kawowy typu kubek składa się z pojemnika polistyrenowego, który umieszcza się w zlewce.

Woda jest umieszczana w polistyrenowym pojemniku, wyposażonym w pokrywę z tego samego materiału, która zapewnia mu pewien stopień izolacji termicznej. Ponadto pojemnik ma termometr i mieszadło mechaniczne.

Ten kalorymetr mierzy ilość ciepła, które jest absorbowane lub emitowane, w zależności od tego, czy reakcja jest endotermiczna czy egzotermiczna, gdy reakcja zachodzi w roztworze wodnym. Badany system składa się z odczynników i produktów.

Indeks

• 1 Czego się uczy??
• 2 Pojemność kaloryczna kalorymetru
  • 2.1 Przykład zastosowania kalorymetru do obliczania ciepła właściwego
• 3 pompa kalorymetryczna
• 4 Rodzaje kalorymetru
  • 4.1 Izotermiczny kalorymetr miareczkowy (CTI)
  • 4.2 Różnicowy kalorymetr skaningowy
• 5 Aplikacje
  • 5.1 Zastosowania izotermicznej kalorymetrii miareczkowej
  • 5.2 Zastosowania różnicowej kalorymetrii skaningowej
• 6 referencji

Czego się uczy?

Kalorymetria bada związek między energią cieplną związaną z reakcją chemiczną a tym, w jaki sposób jest ona wykorzystywana do określania jej zmiennych. Jego zastosowania w dziedzinie badań uzasadniają zakres tych metod.

Kaloryczność kalorymetru

Zdolność ta jest obliczana przez podzielenie ilości ciepła pochłoniętego przez kalorymetr przez zmianę temperatury. Ta zmienność jest produktem ciepła emitowanego w reakcji egzotermicznej, która jest równa:

Ilość ciepła absorbowanego przez kalorymetr + ilość ciepła pochłoniętego przez roztwór

Zmiana może być określona przez dodanie znanej ilości ciepła przez pomiar zmiany temperatury. W celu określenia pojemności kalorycznej zwykle stosuje się kwas benzoesowy, ponieważ jego ciepło spalania jest znane (3227 kJ / mol).

Możesz także określić pojemność kaloryczną, dodając ciepło przez prąd elektryczny.

Przykład wykorzystania kalorymetru do obliczania ciepła właściwego

Pręt 95 g metalu ogrzewa się do 400 ° C, natychmiast pobierając kalorymetr z 500 g wody, początkowo w 20 ° C. Temperatura końcowa systemu wynosi 24ºC. Oblicz ciepło właściwe metalu.

Δq = mx ce x Δt

W tym wyrażeniu:

Δq = zmiana obciążenia.

m = masa.

ce = ciepło właściwe.

Δt = zmiana temperatury.

Ciepło uzyskiwane przez wodę jest równe ciepłu uwalnianemu przez metalowy pręt.

Ta wartość jest podobna do tej, która pojawia się w konkretnej tabeli ciepła dla srebra (234 J / kg ºC).

Jednym z zastosowań kalorymetrii jest więc współpraca w zakresie identyfikacji materiałów.

Pompa kalorymetryczna

Składa się ze stalowego pojemnika, znanego jako pompa, odpornego na wysokie ciśnienia, które mogą powstać podczas reakcji zachodzących w tym pojemniku; ten pojemnik jest podłączony do obwodu zapłonowego, aby rozpocząć reakcje.

Pompa jest zanurzona w dużym pojemniku z wodą, której zadaniem jest pochłanianie ciepła wytwarzanego w pompie podczas reakcji, dzięki czemu zmiana temperatury jest niewielka. Pojemnik na wodę jest wyposażony w termometr i mieszadło mechaniczne.

Zmiany energii są mierzone praktycznie przy stałej objętości i temperaturze, więc nie są wykonywane żadne reakcje w pompie.

ΔE = q

ΔE jest zmiennością energii wewnętrznej w reakcji i q wytwarzanym w niej ciepłem.

Rodzaje kalorymetru

Izotermiczny kalorymetr miareczkowy (CTI)

Kalorymetr ma dwie komórki: w jednej umieszcza się próbkę, aw drugiej próbkę odniesienia umieszcza się zwykle wodę.

Różnica temperatur generowana między komórkami - w wyniku reakcji zachodzącej w komórce próbki - jest anulowana przez system sprzężenia zwrotnego, który wstrzykuje ciepło, aby wyrównać temperatury komórek.

Ten typ kalorymetru pozwala śledzić interakcję między makrocząsteczkami i ich ligandami.

Różnicowy kalorymetr skaningowy

Ten kalorymetr ma dwie komórki, takie same jak CTI, ale ma urządzenie, które pozwala określić temperaturę i przepływy ciepła związane ze zmianami materiału w funkcji czasu.

Ta technika dostarcza informacji o fałdowaniu białek i kwasów nukleinowych, a także ich stabilizacji.

Aplikacje

-Kalorymetria pozwala określić wymianę ciepła, która zachodzi w reakcji chemicznej, pozwalając lepiej zrozumieć mechanizm tego zjawiska.

-Określając ciepło właściwe materiału, kalorymetria dostarcza danych, które pomagają w jego identyfikacji.

-Ponieważ istnieje bezpośrednia proporcjonalność pomiędzy zmianą ciepła w reakcji a stężeniem reagentów, w połączeniu z faktem, że kalorymetria nie wymaga klarownych próbek, ta technika może być stosowana do określenia stężenia substancji obecnych w złożonych matrycach..

-W dziedzinie inżynierii chemicznej kalorymetria jest stosowana w procesie bezpieczeństwa, a także w różnych dziedzinach procesu optymalizacji, reakcji chemicznej i w jednostce operacyjnej.

Zastosowanie izotermicznej kalorymetrii miareczkowej

-Współpracuje przy tworzeniu mechanizmu działania enzymatycznego, a także w jego kinetyce. Ta technika może mierzyć reakcje między cząsteczkami, określając powinowactwo wiązania, stechiometrię, entalpię i entropię w roztworze bez potrzeby stosowania markerów.

-Ocenia interakcję nanocząstek z białkami i, w połączeniu z innymi metodami analitycznymi, jest ważnym narzędziem do rejestrowania zmian konformacyjnych białek.

-Ma zastosowanie w ochronie żywności i upraw.

-Jeśli chodzi o konserwację żywności, można określić jej pogorszenie i trwałość (aktywność mikrobiologiczna). Możesz porównać skuteczność różnych metod konserwacji żywności i jesteś w stanie określić optymalną dawkę konserwantów, a także degradację kontroli opakowań.

-Jeśli chodzi o uprawy warzyw, można badać kiełkowanie nasion. Będąc w wodzie iw obecności tlenu, uwalniają ciepło, które można zmierzyć za pomocą kalorymetru izotermicznego. Bada wiek i nieodpowiednie przechowywanie nasion oraz bada ich tempo wzrostu w obliczu zmian temperatury, pH lub różnych substancji chemicznych..

-Wreszcie może mierzyć aktywność biologiczną gleb. Ponadto może wykrywać choroby.

Zastosowania różnicowej kalorymetrii skaningowej

-Wraz z kalorymetrią izotermiczną pozwoliło na zbadanie interakcji białek z ich ligandami, interakcji allosterycznej, zwijania białek i mechanizmu ich stabilizacji.

-Możesz bezpośrednio zmierzyć ciepło uwalniane lub absorbowane podczas zdarzenia wiązania molekularnego.

-Różnicowa kalorymetria skaningowa jest termodynamicznym narzędziem do bezpośredniego poboru energii kalorycznej, która występuje w próbce. To pozwala nam analizować czynniki, które wpływają na stabilność cząsteczki białka.

-Bada także termodynamikę przejścia falowania kwasu nukleinowego. Technika pozwala na określenie stabilności oksydacyjnej izolowanego kwasu linolowego i sprzężonego z innymi lipidami.

-Technika ta jest stosowana do kwantyfikacji nanocząsteczek farmaceutycznych i charakterystyki termicznej nanostrukturalnych transporterów lipidów.

Referencje

1. Whitten, K., Davis, R., Peck, M. i Stanley, G. Chemia. (2008). 8-te wyd. Cengage Learning Edit.
2. Rehak, N. N. and Young, D. S. (1978). Perspektywiczne zastosowania kalorymetrii w laboratorium klinicznym. Clin. Chem. 24 (8): 1414-1419.
3. Stossel, F. (1997). Zastosowania kalorymetrii reakcyjnej w inżynierii chemicznej. J. Therm. Anal 49 (3): 1677-1688.
4. Weber, P. C. i Salemme, F. R. (2003). Zastosowania metod kalorymetrycznych do odkrywania leków i badania interakcji białkowych. Curr. Opin. Struct. Biol. 13 (1): 115-121.
5. Gill, P., Moghadem, T. i Ranjbar, B. (2010).  Różnicowe techniki kalorymetrycznego skanowania: zastosowania w biologii i nanonauce. J. Biol. Tech.21 (4): 167-193.
6. Omanovic-Miklicanin, E., Manfield, I. i Wilkins, T. (2017). Zastosowania izotermicznej kalorymetrii miareczkowej w ocenie oddziaływań białko-nanocząstka. J. Therm. Anal 127: 605-613.
7. Community College Consortium for Bioscience Credentials. (7 lipca 2014 r.). Kalorymetr do filiżanki kawy. [Rysunek] Pobrano 7 czerwca 2018 r. Z: commons.wikimedia.org