KALORIMETRIJA: KAJ PREUČUJE IN UPORABLJA - KEMIJA - 2026

Kalorimetrija je tehnika, ki določa spremembe kalorične vrednosti sistema, povezanega s kemičnim ali fizikalnim postopkom. Temelji na merjenju temperaturnih sprememb, ko sistem absorbira ali oddaja toploto. Kalorimeter je oprema, ki se uporablja pri reakcijah, pri katerih gre za izmenjavo toplote.

To, kar je znano kot "kavna skodelica", je najpreprostejša oblika te vrste naprav. Z njegovo uporabo se meri količina toplote, ki sodeluje pri reakcijah, ki se izvajajo pri konstantnem tlaku v vodni raztopini. Kalorimeter za kavno skodelico je sestavljen iz polistirenske posode, ki jo damo v čašo.

Voda je postavljena v posodo iz polistirena, opremljena s pokrovom iz istega materiala, ki ji daje določeno stopnjo toplotne izolacije. Poleg tega ima posoda termometer in mehanski mešalnik.

Ta kalorimeter meri količino toplote, ki se absorbira ali oddaja, odvisno od tega, ali je reakcija endotermična ali eksotermična, ko reakcija poteka v vodni raztopini. Sistem, ki ga je treba preučevati, sestavljajo reaktanti in produkti.

Kaj preučuje kalorimetrija?

Kalorimetrija proučuje odnos med toplotno energijo, povezano s kemijsko reakcijo, in načinom, kako se ta uporablja za določanje njegovih spremenljivk. Njihova uporaba na raziskovalnih področjih upravičuje obseg teh metod.

Kalorična zmogljivost kalorimetra

Ta zmogljivost se izračuna z deljenjem količine toplote, ki jo kalorimeter absorbira s spremembo temperature. Ta sprememba je produkt toplote, ki se oddaja v eksotermični reakciji, ki je enaka:

Količina toplote, ki jo absorbira kalorimeter + količina toplote, ki jo absorbira raztopina

Spremembo lahko določimo tako, da dodamo znano količino toplote z merjenjem spremembe temperature. Za določitev kalorične zmogljivosti se običajno uporablja benzojeva kislina, saj je znana njegova toplota zgorevanja (3,227 kJ / mol).

Kalorično zmogljivost lahko določite tudi z dodajanjem toplote z uporabo električnega toka.

Primer

Kovino 95 g kovine segrejemo na 400 ° C in jo takoj odnesemo v kalorimeter s 500 g vode, sprva pri 20 ° C. Končna temperatura sistema je 24 ° C. Izračunajte specifično toploto kovine.

Δq = mx ce x Δt

V tem izrazu:

Δq = nihanje obremenitve.

m = masa.

ce = specifična toplota.

Δt = temperaturno nihanje.

Toplota, ki jo pridobiva voda, je enaka toploti, ki jo oddaja kovinska palica.

Ta vrednost je podobna tisti, ki je prikazana v tabeli specifične toplote za srebro (234 J / kg ºC).

Tako je ena od aplikacij kalorimetrije sodelovanje pri prepoznavanju materialov.

Kalorimetrična črpalka

Sestavljen je iz jeklene posode, znane kot črpalka, odporne na visoke pritiske, ki se lahko pojavijo med reakcijami v tej posodi; Ta posoda je povezana z vžigalnim krogom za zagon reakcij.

Črpalka je potopljena v veliko posodo z vodo, katere funkcija je absorbiranje toplote, ki nastaja v črpalki med reakcijami, zaradi česar so temperaturne razlike majhne. Posoda za vodo je opremljena s termometrom in mehanskim mešalnikom.

Spremembe energije se merijo pri skoraj konstantni prostornini in temperaturi, tako da se ne dela nobenih reakcij na črpalki.

ΔE = q

ΔE je sprememba notranje energije v reakciji in q toplote, ki nastane v njej.

Vrste kalorimetra

Izotermalni kalorimeter titracije (CTI)

Kalorimeter ima dve celici: v eno se postavi vzorec, v drugo pa je referenčna voda.

Temperaturna razlika, ki nastane med celicami - zaradi reakcije v vzorčni celici - odpravi sistem povratnih informacij, ki vbrizga toploto za izenačenje temperatur v celicah.

Ta vrsta kalorimetra omogoča sledenje interakciji med makromolekulami in njihovimi ligandi.

Diferencialni merilni kalorimeter

Ta kalorimeter ima dve celici, kot je CTI, vendar ima napravo, ki omogoča, da se temperaturni in toplotni tokovi, povezani s spremembami materiala, določijo kot funkcija časa.

Ta tehnika daje informacije o zlaganju beljakovin in nukleinskih kislin, pa tudi o njihovi stabilizaciji.

Prijave

-Kalorimetrija omogoča določitev izmenjave toplote, ki nastane pri kemični reakciji, s čimer omogoča boljše razumevanje njenega mehanizma.

-Z določanjem specifične toplote materiala kalorimetrija zagotavlja podatke, ki omogočajo njegovo identifikacijo.

-Ker obstaja neposredna sorazmernost med toplotno reakcijo in koncentracijo reaktantov, skupaj z dejstvom, da kalorimetrija ne potrebuje jasnih vzorcev, se lahko s to tehniko določi koncentracija snovi, prisotnih v kompleksnih matrikah.

-Na področju kemijskega inženirstva se kalorimetrija uporablja v varnostnem postopku, pa tudi na različnih področjih procesa optimizacije, kemičnih reakcij in v obratovalni enoti.

Uporaba izotermalne kalorimetrije titracije

-Sodeli pri vzpostavljanju mehanizma delovanja encimov in njegove kinetike. Ta tehnika lahko meri reakcije med molekulami, določi afiniteto vezave, stehiometrijo, entalpijo in entropijo v raztopini brez potrebe po oznakah.

- preučuje interakcijo nanodelcev z beljakovinami in je v povezavi z drugimi analitičnimi metodami pomembno orodje za beleženje konformacijskih sprememb beljakovin.

-Ima uporabo pri ohranjanju hrane in pridelkov.

-Za ohranjanje hrane lahko določite njeno poslabšanje in rok trajanja (mikrobiološka aktivnost). Primerjate lahko učinkovitost različnih načinov konzerviranja hrane in določite optimalni odmerek konzervansov ter razgradnjo v kontroli embalaže.

-Kot za zelenjavne kulture lahko preučujete kalitev semena. Ker so v vodi in v prisotnosti kisika, sproščajo toploto, ki jo je mogoče izmeriti z izotermalnim kalorimetrom. Preučite starost in nepravilno skladiščenje semen ter preučite njihovo hitrost rasti pri nihanjih temperature, pH ali različnih kemikalij.

-Na koncu lahko meri biološko aktivnost tal. Poleg tega lahko odkrije bolezni.

Uporaba diferencialne skenerske kalorimetrije

- Skupaj z izotermalno kalorimetrijo je omogočil preučevanje interakcij beljakovin z njihovimi ligandi, alosterične interakcije, zlaganja beljakovin in mehanizma njihove stabilizacije.

-Neposredno lahko izmerite toploto, ki se sprošča ali absorbira med dogodkom molekularne vezi.

-Diferencialna kalorimetrija za skeniranje je termodinamično orodje za neposredno vzpostavitev dovajanja toplotne energije, ki se pojavi v vzorcu. To omogoča analizo dejavnikov, ki sodelujejo v stabilnosti beljakovinske molekule.

-Proučuje tudi termodinamiko prehoda zlaganja nukleinske kisline. Tehnika omogoča določanje oksidativne stabilnosti izolirane linolne kisline in spajanja z drugimi lipidi.

-Tehanika se uporablja pri količinski določitvi nanosolidov za farmacevtsko uporabo in pri toplotni karakterizaciji nanostrukturiranih lipidov.

Reference

1. Whitten, K., Davis, R., Peck, M. in Stanley, G. Chemistry. (2008). 8. izd. Učenje priklicanja Uredi.
2. Rehak, NN in Young, DS (1978). Možne uporabe kalorimetrije v kliničnem laboratoriju. Clin. Chem. 24 (8): 1414-1419.
3. Stossel, F. (1997). Uporaba reakcijske kalorimetrije v kemijskem inženirstvu. J. Therm. Analno. 49 (3): 1677-1688.
4. Weber, PC in Salemme, FR (2003). Uporaba kalorimetričnih metod za odkrivanje drog in proučevanje beljakovinskih interakcij. Curr Mnenje. Struktura. Biol. 13 (1): 115-121.
5. Gill, P., Moghadem, T. in Ranjbar, B. (2010). Diferencialne kalorimetrične tehnike skeniranja: aplikacije v biologiji in nanoznanosti. J. Biol. Tech. 21 (4): 167-193.
6. Omanović-Miklicanin, E., Manfield, I. in Wilkins, T. (2017). Uporaba izotermalne kalorimetrije titracije pri ocenjevanju interakcij protein-nanodelci. J. Therm. Analno. 127: 605–613.
7. Konzorcij za vede o bioznanosti Community College. (7. julij 2014). Kalorimeter za kavno skodelico. . Pridobljeno 7. junija 2018 z: commons.wikimedia.org