KALORIMETRI: HVA DEN STUDERER OG ANVENDELSER - KJEMI - 2026

Den kalorimetri er en teknikk som bestemmer de endringene av kaloriinnholdet i et system i forbindelse med en kjemisk eller fysikalsk prosess. Det er basert på måling av temperaturendringer når et system absorberer eller avgir varme. Kalorimeteret er utstyret som brukes i reaksjoner der en varmeveksling er involvert.

Det som er kjent som en "kaffekopp" er den enkleste formen for denne typen apparater. Ved å bruke den måles mengden varme involvert i reaksjoner utført ved konstant trykk i en vandig løsning. En kaffekopp kalorimeter består av en isoporbeholder, som er plassert i et begerglass.

Vannet plasseres i isoporbeholderen, utstyrt med et lokk laget av samme materiale som gir det en viss grad av varmeisolasjon. I tillegg har beholderen et termometer og en mekanisk rører.

Dette kalorimeteret måler mengden varme som blir absorbert eller avgitt, avhengig av om reaksjonen er endotermisk eller eksoterm, når en reaksjon finner sted i en vandig løsning. Systemet som skal studeres består av reaktantene og produktene.

Hva studerer kalorimetri?

Kalorimetri studerer forholdet mellom varmeenergien forbundet med en kjemisk reaksjon, og hvordan den brukes til å bestemme dens variabler. Deres anvendelser innen forskningsfelt begrunner omfanget av disse metodene.

Calorimeter kapasitet

Denne kapasiteten blir beregnet ved å dele mengden varme som absorberes av kalorimeteret med temperaturendringen. Denne variasjonen er produktet av varmen som avgis i en eksoterm reaksjon, som er lik:

Mengde varme som absorberes av kalorimeteret + mengde varme som absorberes av løsningen

Variasjonen kan bestemmes ved å tilsette en kjent mengde varme ved å måle temperaturendringen. For denne bestemmelse av kalorikapasiteten blir benzosyre vanligvis brukt, siden dens forbrenningsvarme (3,227 kJ / mol) er kjent.

Kalorikapasitet kan også bestemmes ved å tilføre varme ved hjelp av en elektrisk strøm.

Eksempel

En 95 g bar av et metall blir oppvarmet til 400 ºC, og tar den umiddelbart til et kalorimeter med 500 g vann, først ved 20 ºC. Den endelige temperaturen på systemet er 24 ºC. Beregn den spesifikke varmen til metallet.

Δq = mx ce x Δt

I dette uttrykket:

Δq = belastningsvariasjon.

m = masse.

ce = spesifikk varme.

Δt = temperaturvariasjon.

Varmen oppnådd av vannet er lik varmen som gis fra metallstangen.

Denne verdien tilsvarer den som vises i en tabell over den spesifikke varmen for sølv (234 J / kg ºC).

Så en av anvendelsene av kalorimetri er samarbeid for identifisering av materialer.

Kalorimetrisk pumpe

Den består av en stålbeholder, kjent som pumpen, motstandsdyktig mot høye trykk som kan oppstå under reaksjonene som oppstår i denne beholderen; Denne beholderen er koblet til en tenningskrets for å starte reaksjonene.

Pumpen er nedsenket i en stor beholder med vann, hvis funksjon er å absorbere varmen som genereres i pumpen under reaksjonene, noe som gjør temperaturvariasjonen liten. Vannbeholderen er utstyrt med et termometer og en mekanisk rører.

Energiendringer måles ved tilnærmet konstant volum og temperatur, så det blir ikke arbeidet med reaksjonene som oppstår i pumpen.

ΔE = q

ΔE er variasjonen av den interne energien i reaksjonen og q varmen som genereres i den.

Typer kalorimeter

Isotermisk titreringskalorimeter (CTI)

Kalorimeteret har to celler: i den ene er prøven plassert og i den andre, referansen, er vann vanligvis plassert.

Temperaturdifferansen som genereres mellom cellene - på grunn av reaksjonen som oppstår i prøvecellen - avbrytes av et tilbakemeldingssystem som injiserer varme for å utjevne temperaturen til cellene.

Denne typen kalorimeter gjør det mulig å følge samspillet mellom makromolekyler og deres ligander.

Differensial skanning kalorimeter

Dette kalorimeteret har to celler, som CTI, men det har en enhet som gjør det mulig å bestemme temperatur og varmeflukser forbundet med endringer i et materiale som en funksjon av tiden.

Denne teknikken gir informasjon om folding av proteiner og nukleinsyrer, samt stabilisering av disse.

applikasjoner

-Kalorimetrien gjør det mulig å bestemme varmevekslingen som oppstår i en kjemisk reaksjon, og gir dermed en klarere forståelse av dens mekanisme.

-For å bestemme den spesifikke varmen til et materiale, gir kalorimetri data som hjelper til med å identifisere det.

-Som det er en direkte proporsjonalitet mellom varmeendringen av en reaksjon og konsentrasjonen av reaktantene, kombinert med det faktum at kalorimetri ikke krever klare prøver, kan denne teknikken brukes til å bestemme konsentrasjonen av stoffer til stede i komplekse matriser.

-Felt innen kjemiteknikk brukes kalorimetri i sikkerhetsprosessen, så vel som i forskjellige felt innen optimaliseringsprosessen, kjemisk reaksjon og i driftsenheten.

Bruk av isotermisk titreringskalorimetri

-Samarbeider i etableringen av enzymsvirkningsmekanismen, så vel som i dens kinetikk. Denne teknikken kan måle reaksjoner mellom molekyler, bestemme bindingsaffinitet, støkiometri, entalpi og entropi i løsning uten behov for markører.

-Vurderer interaksjonen mellom nanopartikler og proteiner, og er i forbindelse med andre analysemetoder et viktig verktøy for å registrere de konformasjonsendringer av proteiner.

-Det har anvendelse i konservering av mat og avlinger.

-Som for konservering av mat, kan du bestemme dens forringelse og holdbarhet (mikrobiologisk aktivitet). Du kan sammenligne effektiviteten til forskjellige matvarekonserveringsmetoder, og du kan bestemme den optimale dosen av konserveringsmidler, så vel som nedbrytningen i emballasjekontrollen.

-Som for vegetabilske avlinger, kan du studere spiring av frø. Når de er i vann og i nærvær av oksygen, frigjør de varme som kan måles med et isotermisk kalorimeter. Undersøk alderen og feil lagring av frøene og studer deres vekstrate under variasjoner i temperatur, pH eller forskjellige kjemikalier.

Endelig kan den måle den biologiske aktiviteten til jordsmonn. I tillegg kan det oppdage sykdommer.

Bruk av differensial skanning kalorimetri

Til sammen med isotermisk kalorimetri har det gjort det mulig å studere interaksjonen mellom proteiner og deres ligander, den allosteriske interaksjonen, folding av proteiner og mekanismen for stabilisering av dem.

-Du kan direkte måle varmen som frigjøres eller absorberes under en molekylær bindingshendelse.

-Differensiell skanningskalorimetri er et termodynamisk verktøy for direkte etablering av opptaket av varmeenergi som oppstår i en prøve. Dette gjør det mulig å analysere faktorene som er involvert i proteinmolekylets stabilitet.

-Det studerer også termodynamikken i overgangen til nukleinsyre. Teknikken tillater bestemmelse av oksidasjonsstabiliteten til linolsyre isolert og koblet til andre lipider.

-Teknikken brukes i kvantifisering av nanosolider for farmasøytisk bruk og i den termiske karakteriseringen av nanostrukturerte lipidtransportører.

referanser

1. Whitten, K., Davis, R., Peck, M. og Stanley, G. Chemistry. (2008). 8. utg. Cengage Learning Edit.
2. Rehak, NN og Young, DS (1978). Potensielle anvendelser av kalorimetri i det kliniske laboratoriet. Clin. Chem. 24 (8): 1414-1419.
3. Stossel, F. (1997). Anvendelser av reaksjonskalorimetri i kjemiteknikk. J. Therm. Anal. 49 (3): 1677-1688.
4. Weber, PC og Salemme, FR (2003). Bruksområder av kalorimetriske metoder for funn av medikamenter og studier av proteininteraksjoner. Curr. Opin. Struct. Biol. 13 (1): 115-121.
5. Gill, P., Moghadem, T. og Ranjbar, B. (2010). Differensial skanning kalorimetriske teknikker: anvendelser innen biologi og nanovitenskap. J. Biol. Tech. 21 (4): 167-193.
6. Omanovic-Miklicanin, E., Manfield, I. og Wilkins, T. (2017). Bruksområder for isotermisk titreringskalorimetri i evaluering av protein-nanopartikkelinteraksjoner. J. Therm. Anal. 127: 605-613.
7. Community College Consortium for Bioscience Credentials. (7. juli 2014). Kaffekopp kalorimeter. . Hentet 7. juni 2018, fra: commons.wikimedia.org