KALORIMETRI: HVAD DET STUDERER OG ANVENDELSER - KEMI - 2026

Den kalorimetri er en teknik, der bestemmer ændringerne af kalorieindholdet i et system forbundet med en kemisk eller fysisk proces. Det er baseret på måling af temperaturændringer, når et system absorberer eller udsender varme. Kalorimeteret er det udstyr, der bruges i reaktioner, hvor en varmeveksling er involveret.

Det, der kaldes en "kaffekop", er den enkleste form for denne type apparater. Ved at bruge den måles den mængde varme, der er involveret i reaktioner, der udføres ved konstant tryk i en vandig opløsning. Et kaffekop-kalorimeter består af en polystyrenbeholder, der placeres i et bægerglas.

Vandet anbringes i polystyrenbeholderen, udstyret med et låg lavet af det samme materiale, der giver det en vis grad af varmeisolering. Derudover har beholderen et termometer og en mekanisk omrører.

Dette kalorimeter måler den mængde varme, der absorberes eller udsendes, afhængigt af om reaktionen er endotermisk eller eksoterm, når en reaktion finder sted i en vandig opløsning. Systemet, der skal studeres, består af reaktanterne og produkterne.

Hvad undersøger kalorimetri?

Kalorimetri studerer forholdet mellem varmeenergien, der er forbundet med en kemisk reaktion, og hvordan den bruges til at bestemme dens variabler. Deres anvendelser inden for forskningsområder retfærdiggør omfanget af disse metoder.

Kalorimeters kalorikapacitet

Denne kapacitet beregnes ved at dividere den mængde varme, der absorberes af kalorimeteret, med ændringen i temperaturen. Denne variation er produktet af den varme, der udsendes i en eksoterm reaktion, der er lig med:

Mængde af varme absorberet af kalorimeteret + mængde varme, der absorberes af opløsningen

Variationen kan bestemmes ved at tilføje en kendt mængde varme ved at måle temperaturændringen. Til denne bestemmelse af kalorikapaciteten anvendes benzoesyre normalt, da dens forbrændingsvarme (3.227 kJ / mol) er kendt.

Kalorikapacitet kan også bestemmes ved at tilføje varme ved hjælp af en elektrisk strøm.

Eksempel

En 95 g bar af et metal opvarmes til 400 ºC, hvorefter den straks bringes til et kalorimeter med 500 g vand, oprindeligt ved 20 ºC. Systemets endelige temperatur er 24 ºC. Beregn metodens specifikke varme.

Δq = mx ce x Δt

I dette udtryk:

Δq = belastningsvariation.

m = masse.

ce = specifik varme.

Δt = temperaturvariation.

Varmen opnået ved vandet er lig med den varme, der afgives fra metalstangen.

Denne værdi svarer til den, der vises i en tabel over den specifikke varme for sølv (234 J / kg ºC).

Så en af ​​anvendelserne af kalorimetri er samarbejde til identifikation af materialer.

Kalorimetrisk pumpe

Den består af en stålbeholder, kendt som pumpen, modstandsdygtig over for de høje tryk, der kan opstå under reaktionerne, der opstår i denne beholder; Denne beholder er forbundet til et tændingskredsløb for at starte reaktionerne.

Pumpen nedsænkes i en stor beholder med vand, hvis funktion er at absorbere den varme, der genereres i pumpen under reaktionerne, hvilket gør temperaturvariationen lille. Vandbeholderen er udstyret med et termometer og en mekanisk omrører.

Energiændringer måles ved stort set konstant volumen og temperatur, så der arbejdes ikke med reaktionerne i pumpen.

ΔE = q

ΔE er variationen i den interne energi i reaktionen og q den varme, der genereres i den.

Typer af kalorimeter

Isotermisk titreringskalorimeter (CTI)

Kalorimeteret har to celler: i den ene placeres prøven, og i den anden referencemængden placeres vand generelt.

Den temperaturforskel, der genereres mellem cellerne - på grund af reaktionen, der finder sted i prøvecellen - annulleres af et feedbacksystem, der indsprøjter varme for at udligne cellernes temperatur.

Denne type kalorimeter giver mulighed for at følge interaktionen mellem makromolekyler og deres ligander.

Differentialscanning Calorimeter

Dette kalorimeter har to celler, ligesom CTI, men det har en enhed, der gør det muligt at bestemme temperatur- og varmefluxer forbundet med ændringer i et materiale som en funktion af tiden.

Denne teknik giver information om foldning af proteiner og nukleinsyrer såvel som deres stabilisering.

Applikationer

-Kalorimetrien gør det muligt at bestemme den varmeudveksling, der finder sted i en kemisk reaktion, hvilket giver en klarere forståelse af dens mekanisme.

-Ved bestemmelse af den specifikke varme af et materiale giver kalorimetri data, der hjælper med at identificere det.

- Da der er en direkte proportionalitet mellem varmeændringen i en reaktion og koncentrationen af ​​reaktanterne kombineret med det faktum, at kalorimetri ikke kræver klare prøver, kan denne teknik anvendes til at bestemme koncentrationen af ​​stoffer, der er til stede i komplekse matrixer.

-Felt inden for kemiteknik anvendes kalorimetri i sikkerhedsprocessen såvel som inden for forskellige felter inden for optimeringsprocessen, kemisk reaktion og i betjeningsenheden.

Anvendelser af isotermisk titreringskalorimetri

-Samarbejde i oprettelsen af ​​enzymsvirkningsmekanismen såvel som i dens kinetik. Denne teknik kan måle reaktioner mellem molekyler, bestemme bindingsaffinitet, støkiometri, enthalpi og entropi i opløsning uden behov for markører.

-Vurderer interaktionen af ​​nanopartikler med proteiner og er sammen med andre analysemetoder et vigtigt redskab til at registrere de konformationelle ændringer af proteiner.

-Det har anvendelse til konservering af mad og afgrøder.

-Som konservering af mad kan du bestemme dets forringelse og holdbarhed (mikrobiologisk aktivitet). Du kan sammenligne effektiviteten af ​​forskellige fødevarekonserveringsmetoder, og du er i stand til at bestemme den optimale dosis konserveringsmidler såvel som nedbrydningen i emballagekontrollen.

-Som vegetabilske afgrøder kan du undersøge frøens spiring. Når de er i vand og i nærværelse af ilt, frigiver de varme, der kan måles med et isotermisk kalorimeter. Undersøg alderen og forkert opbevaring af frøene, og studer deres væksthastighed under variationer i temperatur, pH eller forskellige kemikalier.

Endelig kan det måle jordens biologiske aktivitet. Derudover kan det påvise sygdomme.

Anvendelser af differentiel scanningskalorimetri

- Sammen med isotermisk kalorimetri har det gjort det muligt at undersøge interaktionen af ​​proteiner med deres ligander, den allosteriske interaktion, foldningen af ​​proteiner og mekanismen for deres stabilisering.

-Du kan direkte måle den varme, der frigøres eller absorberes under en molekylær bindingsbegivenhed.

-Differentiel scanningskalorimetri er et termodynamisk værktøj til direkte etablering af optagelsen af ​​varmeenergi, der forekommer i en prøve. Dette gør det muligt at analysere de faktorer, der er involveret i proteinmolekylets stabilitet.

-Det studerer også termodynamikken i nukleinsyrefoldningens overgang. Teknikken tillader bestemmelse af den oxidative stabilitet af linolsyre isoleret og koblet til andre lipider.

-Teknikken anvendes til kvantificering af nanosolider til farmaceutisk brug og i den termiske karakterisering af nanostrukturerede lipidtransportører.

Referencer

1. Whitten, K., Davis, R., Peck, M. og Stanley, G. Chemistry. (2008). 8. udgave Cengage Learning Edit.
2. Rehak, NN og Young, DS (1978). Potentielle anvendelser af kalorimetri i det kliniske laboratorium. Clin. Chem. 24 (8): 1414-1419.
3. Stossel, F. (1997). Anvendelser af reaktionskalorimetri i kemiteknik. J. Therm. Anal. 49 (3): 1677-1688.
4. Weber, PC og Salemme, FR (2003). Anvendelse af kalorimetriske metoder til lægemiddelopdagelse og undersøgelse af proteininteraktioner. Curr. Opin. Struct. Biol. 13 (1): 115-121.
5. Gill, P., Moghadem, T. og Ranjbar, B. (2010). Differentialscanning kalorimetriske teknikker: anvendelser inden for biologi og nanovidenskab. J. Biol. Tech. 21 (4): 167-193.
6. Omanovic-Miklicanin, E., Manfield, I. og Wilkins, T. (2017). Anvendelser af isotermisk titreringskalorimetri i evaluering af protein-nanopartikelinteraktioner. J. Therm. Anal. 127: 605-613.
7. Community College Consortium for Bioscience Credentials. (7. juli 2014). Kaffekop kalorimeter.. Hentet den 7. juni 2018 fra: commons.wikimedia.org