KALORIMETRIA: MITÄ SE TUTKII JA SOVELLUKSIA - KEMIA - 2026

Kalorimetriaa on tekniikka, joka määrittää muutokset kaloripitoisuus järjestelmä liittyy kemiallisen tai fysikaalisen prosessin. Se perustuu lämpötilan muutosten mittaukseen, kun järjestelmä imee tai emittoi lämpöä. Kalorimetri on laite, jota käytetään reaktioissa, joissa tapahtuu lämmönvaihto.

Ns. Kahvikuppi on tämän tyyppisen laitteen yksinkertaisin muoto. Sitä käyttämällä mitataan lämmön määrä, joka osallistuu reaktioihin, jotka suoritetaan vakiopaineessa vesiliuoksessa. Kahvikupin kalorimetri koostuu polystyreenisäiliöstä, joka asetetaan dekantterilasiin.

Vesi sijoitetaan polystyreenisäiliöön, joka on varustettu samasta materiaalista valmistetulla kannella, joka antaa sille tietyn lämmöneristyksen. Lisäksi astiassa on lämpömittari ja mekaaninen sekoitin.

Tämä kalorimetri mittaa absorboituneen tai emittoidun lämmön määrän riippuen siitä, onko reaktio endoterminen vai eksoterminen, kun reaktio tapahtuu vesiliuoksessa. Tutkittava järjestelmä koostuu reagensseista ja tuotteista.

Mitä kalorimetria opiskelee?

Kalorimetria tutkii kemialliseen reaktioon liittyvän lämpöenergian suhdetta siihen, kuinka sitä käytetään muuttujien määrittämiseen. Niiden soveltaminen tutkimusaloilla oikeuttaa näiden menetelmien laajuuden.

Lämpömittarin kalorikapasiteetti

Tämä kapasiteetti lasketaan jakamalla lämpömittarin absorboima lämpömäärä lämpötilan muutoksella. Tämä variaatio on eksotermisessä reaktiossa vapautuvan lämmön tuote, joka on yhtä suuri kuin:

Kalorimetrin absorboima lämmön määrä + liuoksen absorboima lämmön määrä

Vaihtelu voidaan määrittää lisäämällä tunnettu määrä lämpöä mittaamalla lämpötilan muutos. Tämän kalorikapasiteetin määrittämiseen käytetään yleensä bentsoehappoa, koska sen palamislämpö (3 227 kJ / mol) tunnetaan.

Lämpökapasiteetti voidaan määrittää myös lisäämällä lämpöä sähkövirralla.

esimerkki

95 gramman tanko metallia lämmitetään 400 ºC: seen, ottaen sen välittömästi kalorimetriin 500 g: n veden kanssa, aluksi 20 ºC: ssa. Järjestelmän lopullinen lämpötila on 24 ºC. Laske metallin ominaislämpö.

Δq = mx ce x Δt

Tässä ilmaisussa:

Δq = kuorman variaatio.

m = massa.

ce = ominaislämpö.

Δt = lämpötilan vaihtelut.

Veden tuottama lämpö on yhtä suuri kuin metalliraudasta vapautuva lämpö.

Tämä arvo on samanlainen kuin arvo, joka esiintyy hopean ominaislämpötaulukossa (234 J / kg ºC).

Joten yksi kalorimetrian sovelluksista on yhteistyö materiaalien tunnistamisessa.

Lämpöpumppu

Se koostuu teräsastiasta, joka tunnetaan nimellä pumppu ja joka kestää korkeita paineita, joita voi syntyä tässä astiassa tapahtuvien reaktioiden aikana; Tämä säiliö on kytketty sytytyspiiriin reaktioiden käynnistämiseksi.

Pumppu upotetaan suureen vesisäiliöön, jonka tehtävänä on absorboida pumpussa reaktioiden aikana syntyvä lämpö, ​​jolloin lämpötilan vaihtelu on pieni. Vesisäiliö on varustettu lämpömittarilla ja mekaanisella sekoittimella.

Energian muutokset mitataan käytännöllisesti katsoen vakiona tilavuudessa ja lämpötilassa, joten pumpussa tapahtuvia reaktioita ei tehdä.

AE = q

ΔE on reaktion sisäisen energian ja q siinä syntyvän lämmön muutos.

Kalorimetrityypit

Isoterminen titrauskalorimetri (CTI)

Kalorimetrissä on kaksi solua: toiseen näyte asetetaan ja toiseen, referenssiin, vesi yleensä asetetaan.

Lämpötilaero, joka syntyy solujen välillä - näytesolussa tapahtuvan reaktion takia - peruutetaan palautejärjestelmällä, joka injektoi lämpöä solujen lämpötilojen tasaamiseksi.

Tämäntyyppinen kalorimetri antaa mahdollisuuden seurata vuorovaikutusta makromolekyylien ja niiden ligandien välillä.

Differentiaalinen skannauskalorimetri

Tässä kalorimetrissä on kaksi solua, kuten CTI, mutta siinä on laite, joka mahdollistaa lämpötilan ja lämpövuon määrittämisen, joka liittyy materiaalin muutoksiin ajan funktiona.

Tämä tekniikka antaa tietoa proteiinien ja nukleiinihappojen laskostumisesta sekä niiden stabiloitumisesta.

Sovellukset

-Kalorimetrian avulla voidaan määrittää kemiallisessa reaktiossa tapahtuva lämmönvaihto, mikä mahdollistaa sen mekanismin selkeämmän ymmärtämisen.

-Asetettaessa materiaalin ominaislämpöä, kalorimetria tarjoaa tietoja, jotka auttavat tunnistamaan sen.

- Koska reaktion lämmönmuutoksen ja reagenssien pitoisuuden välillä on suora suhteellisuus yhdistettynä siihen tosiseikkaan, että kalorimetria ei vaadi selkeitä näytteitä, tätä tekniikkaa voidaan käyttää monimutkaisissa matriiseissa olevien aineiden pitoisuuksien määrittämiseen.

-Kemikaalitekniikan alalla kalorimetriaa käytetään turvallisuusprosessissa, samoin kuin optimointiprosessin, kemiallisen reaktion ja käyttöyksikön eri aloilla.

Isotermisen titrauskalorimetrian käyttö

-Solboraatit entsyymien toimintamekanismin perustamisessa ja sen kinetiikassa. Tällä tekniikalla voidaan mitata molekyylien välisiä reaktioita, määrittämällä sitoutumisaffiniteettia, stökiometriaa, entalpiaa ja entropiaa liuoksessa ilman tarroja.

- Arvioi nanohiukkasten vuorovaikutusta proteiinien kanssa ja on yhdessä muiden analyyttisten menetelmien kanssa tärkeä työkalu proteiinien konformaatiomuutosten kirjaamiseen.

- Sitä voidaan käyttää elintarvikkeiden ja kasvien säilömiseen.

-Ruoan säilyttämiseksi voit määrittää sen pilaantumisen ja säilyvyyden (mikrobiologinen aktiivisuus). Voit verrata erilaisten elintarvikkeiden säilöntämenetelmien tehokkuutta ja pystyt määrittämään optimaalisen säilöntäaineiden annoksen sekä hajoamisen pakkauksen valvonnassa.

- Vihanneskasvien tavoin voit tutkia siementen itävyyttä. Vedessä ollessaan ja hapen läsnä ollessa ne vapauttavat lämpöä, joka voidaan mitata isotermisellä kalorimetrillä. Tarkista siementen ikä ja virheellinen varastointi ja tutkia niiden kasvunopeutta lämpötilan, pH: n tai erilaisten kemikaalien vaihtelussa.

- Viime kädessä se voi mitata maaperän biologista aktiivisuutta. Lisäksi se pystyy havaitsemaan sairauksia.

Differentiaalisen skannauskalorimetrian käyttö

-Yhdessä isotermisen kalorimetrian kanssa se on antanut mahdollisuuden tutkia proteiinien vuorovaikutusta niiden ligandien kanssa, allosterista vuorovaikutusta, proteiinien laskostumista ja niiden stabiloitumismekanismia.

-Voit mitata suoraan lämpöä, joka vapautuu tai absorboituu molekyylisidontatapahtuman aikana.

-Diferentsiaalinen pyyhkäisykalorimetria on termodynaaminen työkalu näytteessä tapahtuvan lämpöenergian oton suoraan määrittämiseksi. Tämä mahdollistaa proteiinimolekyylin stabiilisuuteen vaikuttavien tekijöiden analysoinnin.

-Se tutkii myös nukleiinihappojen laskostumisen siirtymävaiheen termodynamiikkaa. Tekniikka mahdollistaa eristetyn ja muihin lipideihin kytketyn linolihapon oksidatiivisen stabiilisuuden määrittämisen.

-Tekniikkaa käytetään farmaseuttiseen käyttöön tarkoitettujen nanosolujen kvantitatiivisessa määrityksessä ja nanorakenteisten lipidinkuljettajien lämpökarakterisoinnissa.

Viitteet

1. Whitten, K., Davis, R., Peck, M. ja Stanley, G. Chemistry. (2008). 8. toim. Cengage Learning -muokkaus.
2. Rehak, NN ja Young, DS (1978). Kalorimetrian mahdolliset sovellukset kliinisessä laboratoriossa. Clin. Chem. 24 (8): 1414 - 1419.
3. Stossel, F. (1997). Reaktiokalorimetrian sovellukset kemian tekniikassa. J. Therm. Anaali. 49 (3): 1677-1688.
4. Weber, PC ja Salemme, FR (2003). Kalorimetristen menetelmien käyttö lääkkeiden löytämisessä ja proteiini-vuorovaikutusten tutkimuksessa. As. Opin. Struct. Biol., 13 (1): 115 - 121.
5. Gill, P., Moghadem, T. ja Ranjbar, B. (2010). Erilaiset skannauskalorimetriset tekniikat: sovellukset biologiassa ja nanotieteessä. J. Biol., Tech. 21 (4): 167 - 193.
6. Omanovic-Miklicanin, E., Manfield, I. ja Wilkins, T. (2017). Isotermisen titrauskalorimetrian sovellukset proteiini-nanohiukkasten vuorovaikutusten arvioinnissa. J. Therm. Anaali. 127: 605 - 613.
7. Yhteisön korkeakoulujen yhteenliittymä biotieteiden valtakirjoihin. (7. heinäkuuta 2014). Kahvikupin kalorimetri.. Haettu 7. kesäkuuta 2018, osoitteesta: commons.wikimedia.org