KALORIMETRI: VAD DEN STUDERAR OCH TILLÄMPNINGAR - KEMI - 2026

Den kalorimetri är en teknik som bestämmer förändringarna av kaloriinnehållet i ett system i samband med en kemisk eller fysikalisk process. Det är baserat på mätningen av temperaturförändringar när ett system absorberar eller avger värme. Kalorimetern är den utrustning som används i reaktioner där en värmeväxling är inblandad.

Det som kallas en "kaffekopp" är den enklaste formen för denna typ av apparater. Genom att använda den mäts mängden värme involverad i reaktioner som utförs vid konstant tryck i en vattenlösning. En kaffekoppskalorimeter består av en polystyrenbehållare som placeras i en bägare.

Vattnet placeras i polystyrenbehållaren, utrustad med ett lock tillverkat av samma material som ger det en viss värmeisolering. Dessutom har behållaren en termometer och en mekanisk omrörare.

Denna kalorimeter mäter mängden värme som absorberas eller avges, beroende på om reaktionen är endoterm eller exoterm, när en reaktion äger rum i en vattenlösning. Systemet som ska studeras består av reaktanterna och produkterna.

Vad studerar kalorimetri?

Kalorimetri studerar förhållandet mellan värmeenergin associerad med en kemisk reaktion och hur den används för att bestämma dess variabler. Deras tillämpningar inom forskningsområden motiverar omfattningen av dessa metoder.

Kalorimeterns kalorikapacitet

Denna kapacitet beräknas genom att dividera mängden värme som absorberas av kalorimetern med temperaturförändringen. Denna variation är produkten från värmen som avges i en exoterm reaktion, vilket är lika med:

Mängd värme som absorberas av kalorimetern + mängd värme som absorberas av lösningen

Variationen kan bestämmas genom att tillsätta en känd mängd värme genom att mäta temperaturändringen. För denna bestämning av kalorikapaciteten används vanligtvis bensoesyra, eftersom dess förbränningsvärme (3 227 kJ / mol) är känd.

Kalorikapacitet kan också bestämmas genom att tillsätta värme med hjälp av en elektrisk ström.

Exempel

En 95 g bar av en metall upphettas till 400 ºC och tar den omedelbart till en kalorimeter med 500 g vatten, initialt vid 20 ºC. Systemets slutliga temperatur är 24 ºC. Beräkna metallens specifika värme.

Δq = mx ce x Δt

I detta uttryck:

Δq = belastningsvariation.

m = massa.

ce = specifik värme.

=t = temperaturvariation.

Värmen som erhålls av vattnet är lika med värmen som avges från metallstången.

Detta värde liknar det som visas i en tabell över den specifika värmen för silver (234 J / kg ºC).

Så en av tillämpningarna av kalorimetri är samarbete för identifiering av material.

Kalorimetrisk pump

Den består av en stålbehållare, känd som pumpen, motståndskraftig mot höga tryck som kan uppstå under reaktionerna som inträffar i denna behållare; Denna behållare är ansluten till en tändkrets för att starta reaktionerna.

Pumpen är nedsänkt i en stor behållare med vatten, vars funktion är att absorbera värmen som genereras i pumpen under reaktionerna, vilket gör temperaturvariationen liten. Vattenbehållaren är utrustad med en termometer och en mekanisk omrörare.

Energiförändringar mäts i praktiskt taget konstant volym och temperatur, så inget arbete utförs på reaktionerna som uppstår i pumpen.

ΔE = q

ΔE är variationen i den inre energin i reaktionen och q värmen som genereras i den.

Typer av kalorimeter

Isotermisk titreringskalorimeter (CTI)

Kalorimetern har två celler: i den ena placeras provet och i den andra referensen placeras vanligtvis vatten.

Temperaturdifferensen som genereras mellan cellerna - på grund av reaktionen som inträffar i provcellen - avbryts av ett återkopplingssystem som injicerar värme för att utjämna temperaturen i cellerna.

Denna typ av kalorimeter gör det möjligt att följa interaktionen mellan makromolekyler och deras ligander.

Differentialskanningskalorimeter

Denna kalorimeter har två celler, liksom CTI, men den har en anordning som gör att temperaturen och värmeflödena förknippade med förändringar i ett material kan bestämmas som en funktion av tiden.

Denna teknik ger information om vikningen av proteiner och nukleinsyror, liksom deras stabilisering.

tillämpningar

-Kalorimetri gör det möjligt att bestämma värmeväxlingen som sker i en kemisk reaktion, vilket möjliggör en tydligare förståelse av dess mekanism.

-För att bestämma den specifika värmen för ett material, ger kalorimetri data som hjälper till att identifiera det.

-Eftersom det finns en direkt proportionalitet mellan värmeförändringen av en reaktion och koncentrationen av reaktanterna, i kombination med det faktum att kalorimetri inte kräver tydliga prover, kan denna teknik användas för att bestämma koncentrationen av ämnen som finns i komplexa matriser.

- Inom kemiteknik används kalorimetri i säkerhetsprocessen, liksom inom olika områden för optimeringsprocessen, kemisk reaktion och i driftsenheten.

Användningar av isotermisk titreringskalorimetri

-Samarbetar i upprättandet av enzymverkningsmekanismen såväl som i dess kinetik. Denna teknik kan mäta reaktioner mellan molekyler, bestämma bindningsaffinitet, stökiometri, entalpi och entropi i lösning utan behov av markörer.

-Värderar interaktionen mellan nanopartiklar och proteiner och är i samband med andra analysmetoder ett viktigt verktyg för att registrera de konformationella förändringarna av proteiner.

-Det har tillämpning för bevarande av livsmedel och grödor.

-Som konservering av mat kan du bestämma dess försämring och hållbarhet (mikrobiologisk aktivitet). Du kan jämföra effektiviteten hos olika livsmedelskonserveringsmetoder och du kan bestämma den optimala dosen konserveringsmedel, liksom nedbrytningen i förpackningskontrollen.

-Som vegetabiliska grödor kan du studera fröets grodd. När de befinner sig i vatten och i närvaro av syre släpper de värme som kan mätas med en isotermisk kalorimeter. Undersök ålder och felaktig lagring av frön och studera deras tillväxthastighet under variationer i temperatur, pH eller olika kemikalier.

-Slutligen kan det mäta jordens biologiska aktivitet. Dessutom kan det upptäcka sjukdomar.

Användning av differentiell skanningskalorimetri

Tillsammans med isotermisk kalorimetri har det gjort det möjligt att studera interaktionen av proteiner med deras ligander, den allosteriska interaktionen, vikningen av proteiner och mekanismen för deras stabilisering.

-Du kan direkt mäta värmen som frigörs eller absorberas under en molekylär bindningshändelse.

-Differentiell skanningskalorimetri är ett termodynamiskt verktyg för direkt etablering av upptaget av värmeenergi som förekommer i ett prov. Detta gör det möjligt att analysera faktorerna som är involverade i proteinmolekylens stabilitet.

-Det studerar också termodynamiken i övergång av nukleinsyra. Tekniken möjliggör bestämning av oxidativ stabilitet av linolsyra isolerad och kopplad till andra lipider.

-Tekniken används vid kvantifiering av nanosolider för farmaceutiskt bruk och vid termisk karaktärisering av nanostrukturerade lipidtransportörer.

referenser

1. Whitten, K., Davis, R., Peck, M. och Stanley, G. Chemistry. (2008). 8: e upplagan Cengage Learning Edit.
2. Rehak, NN och Young, DS (1978). Potentiella tillämpningar av kalorimetri i det kliniska laboratoriet. Clin. Chem. 24 (8): 1414-1419.
3. Stossel, F. (1997). Tillämpningar av reaktionskalorimetri inom kemiteknik. J. Therm. Anal. 49 (3): 1677-1688.
4. Weber, PC och Salemme, FR (2003). Tillämpningar av kalorimetriska metoder för läkemedelsupptäckt och studier av proteininteraktioner. Curr. Opin. Struct. Biol. 13 (1): 115-121.
5. Gill, P., Moghadem, T. och Ranjbar, B. (2010). Differentialskanning kalorimetriska tekniker: tillämpningar inom biologi och nanovetenskap. J. Biol. Tech 21 (4): 167-193.
6. Omanovic-Miklicanin, E., Manfield, I. och Wilkins, T. (2017). Användningar av isotermisk titreringskalorimetri vid utvärdering av protein-nanopartikelinteraktioner. J. Therm. Anal. 127: 605-613.
7. Community College Consortium for Bioscience Credentials. (7 juli 2014). Kaffekopp kalorimeter. . Hämtad den 7 juni 2018 från: commons.wikimedia.org