КАЛОРИМЕТРИЯ: КАКВО ИЗУЧАВА И ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2025

В калориметрия е техника, която определя промените на калории съдържанието на система, свързана с химични и физични процеси. Тя се основава на измерването на температурните промени, когато една система абсорбира или излъчва топлина. Калориметърът е оборудването, използвано при реакции, в които участва топлообмен.

Това, което е известно като "чаша за кафе", е най-простата форма на този тип уреди. Използвайки го, се измерва количеството топлина, участваща в реакции, провеждани при постоянно налягане във воден разтвор. Калориметър за кафена чаша се състои от контейнер от полистирол, който се поставя в чаша.

Водата се поставя в контейнера от полистирол, оборудван с капак, направен от същия материал, който му осигурява определена степен на топлоизолация. Освен това контейнерът има термометър и механична бъркалка.

Този калориметър измерва количеството топлина, която се абсорбира или отделя, в зависимост от това дали реакцията е ендотермична или екзотермична, когато реакцията се провежда във воден разтвор. Системата, която ще се изследва, е съставена от реактивите и продуктите.

Какво изучава калориметрията?

Калориметрията изучава връзката между топлинната енергия, свързана с химическа реакция, и как тя се използва за определяне на нейните променливи. Техните приложения в изследователски области оправдават обхвата на тези методи.

Калоричен капацитет на калориметър

Този капацитет се изчислява чрез разделяне на количеството топлина, погълната от калориметъра, от промяната в температурата. Тази промяна е продукт на топлината, която се излъчва при екзотермична реакция, която е равна на:

Количество топлина, погълната от калориметъра + количество топлина, погълната от разтвора

Вариацията може да бъде определена чрез добавяне на известно количество топлина чрез измерване на промяната в температурата. За това определяне на калоричния капацитет обикновено се използва бензоена киселина, тъй като е известна нейната топлина на горене (3,227 kJ / mol).

Калоричният капацитет може да се определи и чрез добавяне на топлина с помощта на електрически ток.

пример

95 g бар от метал се нагрява до 400 ° C, веднага след като се отвежда до калориметър с 500 g вода, първоначално при 20 ° C. Крайната температура на системата е 24 ºC. Изчислете специфичната топлина на метала.

Δq = mx ce x Δt

В този израз:

Δq = промяна в натоварването.

m = маса.

ce = специфична топлина.

Δt = изменение на температурата.

Топлината, спечелена от водата, е равна на топлината, отделена от металната пръчка.

Тази стойност е подобна на тази, която се появява в таблицата за специфичната топлина за сребро (234 J / kg ºC).

Така че едно от приложенията на калориметрията е сътрудничество за идентифициране на материали.

Калориметрична помпа

Състои се от стоманен контейнер, известен като помпата, устойчив на високото налягане, което може да възникне по време на реакциите, възникващи в този контейнер; Този контейнер е свързан към верига за запалване, за да започне реакциите.

Помпата се потапя в голям контейнер с вода, чиято функция е да абсорбира топлината, която се генерира в помпата по време на реакциите, което прави температурните колебания малки. Съдът за вода е оборудван с термометър и механична бъркалка.

Промените в енергията се измерват при практически постоянен обем и температура, така че не се работи по реакциите, които възникват в помпата.

ΔE = q

ΔE е изменението на вътрешната енергия в реакцията и q топлината, генерирана в нея.

Видове калориметър

Изотермичен калориметър за титруване (CTI)

Калориметърът има две клетки: в едната се поставя пробата, а в другата - референтната, обикновено се поставя вода.

Температурната разлика, която се генерира между клетките - поради реакцията, която протича в клетката за проба - се отменя от система за обратна връзка, която инжектира топлина, за да изравни температурите на клетките.

Този тип калориметър позволява да се проследи взаимодействието между макромолекулите и техните лиганди.

Диференциален сканиращ калориметър

Този калориметър има две клетки, като CTI, но има устройство, което позволява температурата и топлинните потоци, свързани с промените в даден материал, да се определят като функция на времето.

Тази техника дава информация за сгъването на протеини и нуклеинови киселини, както и за тяхното стабилизиране.

Приложения

-Калориметрията позволява да се определи топлообменът, който възниква при химическа реакция, като по този начин позволява по-ясно разбиране на механизма му.

-При определяне на специфичната топлина на даден материал, калориметрията предоставя данни, които помагат да се идентифицират.

-Както има пряка пропорционалност между топлинната промяна на реакцията и концентрацията на реагентите, съчетана с факта, че калориметрията не изисква ясни проби, тази техника може да се използва за определяне на концентрацията на веществата, присъстващи в сложни матрици.

-В областта на химическото инженерство калориметрията се използва в процеса на безопасност, както и в различни области на процеса на оптимизация, химическа реакция и в операционната единица.

Използване на изотермична титрационна калориметрия

-Съдейства при създаването на механизма за действие на ензимите, както и в неговата кинетика. Тази техника може да измерва реакциите между молекулите, определяйки афинитета на свързване, стехиометрията, енталпията и ентропията в разтвор без нужда от маркери.

-Оценява взаимодействието на наночастиците с протеините и във връзка с други аналитични методи е важен инструмент за записване на конформационните промени на протеините.

-Има приложение в консервирането на храни и култури.

-Както се съхранява храната, можете да определите нейното влошаване и срок на годност (микробиологична активност). Можете да сравните ефективността на различните методи за консервиране на храни и сте в състояние да определите оптималната доза консерванти, както и разграждането в контрола на опаковките.

-За зеленчуковите култури можете да изучавате покълването на семето. Намирайки се във вода и в присъствието на кислород, те отделят топлина, която може да бъде измерена с изотермичен калориметър. Проучете възрастта и неправилното съхранение на семената и проучете скоростта на растежа им при промени в температурата, pH или различни химикали.

-Накрая, може да измери биологичната активност на почвите. Освен това може да открие заболявания.

Използване на диференциална сканираща калориметрия

-Заедно с изотермичната калориметрия, тя позволи да се проучи взаимодействието на протеините с техните лиганди, алостеричното взаимодействие, сгъването на протеините и механизма на тяхното стабилизиране.

-Можете директно да измервате топлината, която се отделя или абсорбира по време на събитие за молекулно свързване.

-Диференциалната сканираща калориметрия е термодинамичен инструмент за директно установяване на поглъщането на топлинна енергия, което се случва в проба. Това дава възможност да се анализират факторите, участващи в стабилността на протеиновата молекула.

-Изучава и термодинамиката на прехода на сгъване на нуклеиновата киселина. Техниката позволява определяне на окислителната стабилност на изолирана линолова киселина и свързана с други липиди.

-Техниката се прилага при количественото определяне на наносолидите за фармацевтична употреба и при термичната характеристика на наноструктурираните липидни транспортери.

Препратки

1. Whitten, K., Davis, R., Peck, M. and Stanley, G. Chemistry. (2008 г.). 8-мо изд. Cengage Learning Edit.
2. Рехак, NN и Янг, DS (1978). Перспективни приложения на калориметрията в клиничната лаборатория. Clin. Химикал 24 (8): 1414-1419.
3. Stossel, F. (1997). Приложения на реакционната калориметрия в химическото инженерство. J. Therm. Anal. 49 (3): 1677-1688.
4. Weber, PC и Salemme, FR (2003). Приложения на калориметрични методи за откриване на лекарства и изследване на протеиновите взаимодействия. Curr. Opin. Struct. Biol. 13 (1): 115-121.
5. Gill, P., Moghadem, T. and Ranjbar, B. (2010). Диференциални сканиращи калориметрични техники: приложения в биологията и нанонауката. J. Biol. Tech. 21 (4): 167-193.
6. Оманович-Микликанин, Е., Менфийлд, И. и Уилкинс, Т. (2017). Приложения на изотермична титрираща калориметрия при оценка на взаимодействието на протеин-наночастици. J. Therm. Anal. 127: 605-613.
7. Консорциум за акредитив на биологичните науки на Community College. (7 юли 2014 г.). Калориметър за чаша кафе., Произведено на 7 юни 2018 г. от: commons.wikimedia.org