KALORIMETRIA: MIT TANULMÁNYOZ ÉS ALKALMAZ - KÉMIA - 2026

A kalorimetria egy olyan módszer, amely meghatározza egy rendszer kémiai vagy fizikai folyamattal társított kalóriatartalmának változásait. Ez a hőmérséklet-változások mérésén alapszik, amikor a rendszer hőelnyelést vagy kibocsátást indít. A kaloriméter olyan berendezés, amelyet olyan reakciókban használnak, amelyekben hőcserélés zajlik.

Az úgynevezett "kávéscsésze" az ilyen típusú készülékek legegyszerűbb formája. Ennek felhasználásával meghatározzuk a vizes oldatban állandó nyomáson végrehajtott reakciók hőmennyiségét. A kávéscsésze kaloriméter egy polisztiroltartályból áll, amelyet egy főzőpohárba helyeznek.

A vizet a polisztirol tartályba helyezzük, és ugyanazon anyagból készült fedéllel vannak ellátva, amely bizonyos fokú hőszigetelést biztosít. Ezenkívül a tartálynak hőmérője és mechanikus keverője van.

Ez a kaloriméter méri az abszorbeált vagy kibocsátott hőmennyiséget, attól függően, hogy a reakció endoterm vagy exoterm, ha a reakció vizes oldatban zajlik. A vizsgálandó rendszer reagensekből és termékekből áll.

Mit tanulmányoz a kalorimetria?

A kalorimetria megvizsgálja a kémiai reakcióhoz kapcsolódó hőenergia kapcsolatát és azt, hogy miként használják a változók meghatározására. Kutatási területeken történő alkalmazásuk igazolja ezen módszerek alkalmazási körét.

A kaloriméter kalóriakapacitása

Ezt a kapacitást úgy számítják ki, hogy a kaloriméter által felvett hőmennyiséget elosztják a hőmérséklet változásával. Ez a változás az exoterm reakció során kibocsátott hő szorzata, amely egyenlő:

A kaloriméter által abszorbeált hőmennyiség + az oldat által abszorbeált hőmennyiség

A variáció ismert hőmennyiség hozzáadásával határozható meg a hőmérsékletváltozás mérésével. A kalóriakapacitás meghatározására általában benzoesavat használnak, mivel az égési hő (3 227 kJ / mol) ismert.

A kalóriakapacitást úgy is meg lehet határozni, hogy hőt adnak hozzá elektromos áram felhasználásával.

Példa

A 95 g fémrúdot 400 ° C-ra hevítik, és azonnal 500 g vízzel kalorimeterre veszik, kezdetben 20 ° C-on. A rendszer végső hőmérséklete 24 ºC. Számítsa ki a fém fajsúlyát.

Δq = mx ce x Δt

Ebben a kifejezésben:

Δq = terhelésváltozás.

m = tömeg.

ce = fajlagos hő.

Δt = hőmérséklet-változás.

A víz hője megegyezik a fémrúd által kibocsátott hővel.

Ez az érték hasonló ahhoz, amely az ezüst fajlagos hőjét (234 J / kg ºC) tartalmazó táblázatban szerepel.

Tehát a kalorimetria egyik alkalmazása az együttműködés az anyagok azonosításában.

Kalorimetrikus szivattyú

Egy szivattyúként ismert acéltartályból áll, amely ellenáll a tartályban fellépő reakciók során felmerülő magas nyomásoknak; Ezt a tartályt a gyújtásáramkörhöz csatlakoztatják a reakciók indításához.

A szivattyút egy nagy tartályba merítik vízzel, amelynek a funkciója az, hogy elnyelje a hőt, amelyet a szivattyúban a reakciók során generálnak, és ezáltal a hőmérséklet-ingadozást kismértékűvé teszi. A víztartály hőmérővel és mechanikus keverővel van felszerelve.

Az energiaváltozásokat gyakorlatilag állandó térfogaton és hőmérsékleten mérik, tehát nem végeznek munkát a szivattyúban bekövetkező reakcióknál.

ΔE = q

ΔE a reakcióban bekövetkező belső energia és a benne keletkező hő változása.

A kaloriméter típusai

Izotermikus titrálási kaloriméter (CTI)

A kaloriméternek két cellája van: az egyikbe helyezzük a mintát, a másikba pedig a referencia vizet.

A cellák között létrejövő hőmérsékleti különbséget - a minta cellában bekövetkező reakció miatt - egy visszacsatoló rendszer szünteti meg, amely hőt injektál, hogy kiegyenlítse a cellák hőmérsékletét.

Az ilyen típusú kaloriméter lehetővé teszi a makromolekulák és ligandumaik kölcsönhatásának követését.

Diferenciális pásztázó kaloriméter

Ennek a kaloriméternek két cellája van, akárcsak a CTI, de van egy olyan eszköze is, amely lehetővé teszi az anyag változásaival járó hőmérséklet és hőáramok idő függvényében történő meghatározását.

Ez a technika információt nyújt a fehérjék és nukleinsavak hajtogatásáról, valamint stabilizációjáról.

Alkalmazások

-A kalorimetria lehetővé teszi a kémiai reakcióban fellépő hőcserélés meghatározását, ezáltal lehetővé téve annak mechanizmusának jobb megértését.

-Az anyag fajlagos hőjének meghatározásakor a kalorimetria olyan adatokat szolgáltat, amelyek segítik az anyag azonosítását.

-Mivel a reakció hőváltozása és a reaktánsok koncentrációja közvetlen arányossággal rendelkezik, azzal a ténnyel, hogy a kalorimetriához nincs szükség egyértelmű mintákra, ez a módszer felhasználható a komplex mátrixokban jelen lévő anyagok koncentrációjának meghatározására.

-A vegyipar területén a kalorimetriát a biztonsági folyamatban, valamint az optimalizálási folyamat, a kémiai reakció és a kezelőegység különböző területein használják.

Izotermikus titrálási kalorimetria felhasználása

-Koboboratál az enzim hatásmechanizmusának kialakításában, valamint annak kinetikájában. Ez a módszer mérheti a molekulák közötti reakciókat, meghatározva a kötési affinitást, a sztöchiometriát, az entalpiát és az oldatban lévő entrópiát markerek nélkül.

- Vizsgálja a nanorészecskék fehérjékkel való kölcsönhatását, és más analitikai módszerekkel együtt fontos eszköz a fehérjék konformációs változásainak feljegyzésére.

- Alkalmazható élelmiszerek és növények tartósításában.

- Az élelmiszerek tartósítása szempontjából meghatározhatja annak romlását és eltarthatóságát (mikrobiológiai aktivitás). Össze lehet hasonlítani a különféle élelmiszer-tartósítási módszerek hatékonyságát, és meg tudja határozni a tartósítószerek optimális dózisát, valamint a csomagolás ellenőrzésében bekövetkező lebomlást.

-Mint a növényi növényeket, meg lehet tanulmányozni a mag csírázását. Vízben és oxigén jelenlétében olyan hőt bocsátanak ki, amely izoterm kaloriméterrel mérhető. Vizsgálja meg a magvak életkorát és nem megfelelő tárolását, és vizsgálja meg azok növekedési sebességét a hőmérséklet, a pH vagy a különféle vegyi anyagok változásainak függvényében.

-Végül mérni tudja a talajok biológiai aktivitását. Ezen felül képes betegségeket felderíteni.

A differenciális pásztázó kalorimetria felhasználása

- Az izotermikus kalorimetriával együtt lehetővé tette a fehérjék kölcsönhatásaik tanulmányozását a ligandumokkal, az alloszterikus kölcsönhatást, a fehérjék hajtogatását és stabilizációjának mechanizmusát.

- Közvetlenül meg tudja mérni azt a hőt, amelyet egy molekuláris kötési esemény során szabadít fel vagy abszorbeál.

- A differenciális pásztázó kalorimetria egy termodinamikai eszköz a mintában előforduló hőenergia felvételének közvetlen megállapításához. Ez lehetővé teszi a fehérjemolekula stabilitásában részt vevő tényezők elemzését.

- Megvizsgálja továbbá a nukleinsav összehajtogatásának termodinamikáját. Ez a módszer lehetővé teszi az izolált és más lipidekhez kapcsolt linolsav oxidatív stabilitásának meghatározását.

-A technikát alkalmazzák a gyógyszerészeti nanoszilárd anyagok mennyiségi meghatározására és a nanostrukturált lipid transzporterek termikus jellemzésére.

Irodalom

1. Whitten, K., Davis, R., Peck, M. és Stanley, G., Chemistry. (2008). 8. kiadás Cengage Learning Edit.
2. Rehak, NN és ​​Young, DS (1978). A kalorimetria lehetséges alkalmazásai a klinikai laboratóriumban. Clin. Chem. 24 (8): 1414-1419.
3. Stossel, F. (1997). A reakció kalorimetria alkalmazásai a vegyiparban. J. Therm. Anális. 49 (3): 1677-1688.
4. Weber, PC és Salemme, FR (2003). A kalorimetrikus módszerek alkalmazása a gyógyszerek felfedezésében és a fehérje kölcsönhatások tanulmányozásában. Akt. Opin. Struct. Biol. 13 (1): 115-121.
5. Gill, P., Moghadem, T. és Ranjbar, B. (2010). Diferenciális pásztázó kalorimetrikus technikák: alkalmazások a biológiában és a nanotudományban. J. Biol. Tech. 21 (4): 167-193.
6. Omanovic-Miklicanin, E., Manfield, I. és Wilkins, T. (2017). Izotermikus titrálási kalorimetria alkalmazása a protein-nanorészecske kölcsönhatások értékelésében. J. Therm. Anális. 127: 605-613.
7. Közösségi Főiskolai Konzorcium a biológiai tudományok hitelesítő adataihoz. (2014. július 7.). Kávéscsésze kaloriméter.. Visszakeresve: 2018. június 7-én, a következő helyről: commons.wikimedia.org