KALORIMETRIJA: TAI, KĄ JI TIRIA IR KAIP TAI TAIKOMA - CHEMIJA - 2025

Kalorimetrijos yra technika, kuri lemia kaloringumas sistemos, susijusios su cheminiu arba fiziniu procesu pakeitimus. Tai pagrįsta temperatūros pokyčių matavimu, kai sistema sugeria arba skleidžia šilumą. Kalorimetras yra įranga, naudojama reakcijose, kuriose vyksta šilumos mainai.

Tai, kas vadinama „kavos puodeliu“, yra paprasčiausia tokio tipo prietaisų forma. Naudojant jį, išmatuojamas šilumos kiekis, dalyvaujantis reakcijose, vykstančiose esant pastoviam slėgiui vandeniniame tirpale. Kavos puodelio kalorimetrą sudaro polistireno indas, kuris dedamas į stiklinę.

Vanduo dedamas į polistireno indą, kuriame yra dangtis, pagamintas iš tos pačios medžiagos, kuris suteikia jam tam tikrą šilumos izoliaciją. Be to, inde yra termometras ir mechaninis maišytuvas.

Šis kalorimetras matuoja sugeriamo ar skleidžiamo šilumos kiekį, atsižvelgiant į tai, ar reakcija yra endoterminė, ar egzoterminė, kai reakcija vyksta vandeniniame tirpale. Tiriamą sistemą sudaro reagentai ir produktai.

Ką tiria kalorimetrija?

Kalorimetrija tiria ryšį tarp šilumos energijos, susijusios su chemine reakcija, ir kaip ji naudojama jos kintamiesiems nustatyti. Jų taikymas tyrimų srityse pagrindžia šių metodų apimtį.

Kalorimetro kaloringumas

Ši talpa apskaičiuojama padalijus kalorimetro sugertą šilumos kiekį iš temperatūros pokyčio. Šis kitimas yra šilumos, išskiriamos egzoterminės reakcijos metu, rezultatas, lygus:

Kalorimetro sugertos šilumos kiekis + tirpalo sugertos šilumos kiekis

Svyravimą galima nustatyti pridedant žinomą šilumos kiekį, matuojant temperatūros pokyčius. Kaloringumui nustatyti paprastai naudojama benzenkarboksirūgštis, nes žinoma jos degimo šiluma (3 227 kJ / mol).

Kalorijų talpa taip pat gali būti nustatyta pridedant šilumą naudojant elektros srovę.

Pavyzdys

95 g metalo strypas įkaitinamas iki 400 ºC, iš karto nukeliant jį į kalorimetrą su 500 g vandens, iš pradžių esant 20 ºC. Galutinė sistemos temperatūra yra 24 ºC. Apskaičiuokite savitąją metalo šilumą.

Δq = mx ce x Δt

Šia išraiška:

Δq = apkrovos kitimas.

m = masė.

ce = savitoji šiluma.

Δt = temperatūros kitimas.

Vandens gaunama šiluma yra lygi šilumai, kurią išskiria iš metalinio strypo.

Ši vertė yra panaši į tą, kuri pateikiama sidabro savitosios šilumos (234 J / kg ºC) lentelėje.

Taigi viena iš kalorimetrijos taikymo sričių yra bendradarbiavimas nustatant medžiagas.

Kalorimetrinis siurblys

Jį sudaro plieninis indas, žinomas kaip siurblys, atsparus dideliam slėgiui, kuris gali kilti vykstant šiame konteineryje vykstančioms reakcijoms; Šis bakas yra prijungtas prie uždegimo kontūro, kad būtų galima pradėti reakcijas.

Siurblys panardinamas į didelį indą su vandeniu, kurio funkcija yra absorbuoti šilumą, kuri susidaro siurblyje reakcijų metu, todėl temperatūros svyravimas yra mažas. Vandens talpykloje yra termometras ir mechaninis maišytuvas.

Energijos pokyčiai matuojami esant pastoviam tūriui ir temperatūrai, todėl siurblyje vykstančios reakcijos nėra atliekamos.

ΔE = q

ΔE yra reakcijos vidinės energijos ir joje generuojamos šilumos kitimas q.

Kalorimetrų tipai

Izoterminis titravimo kalorimetras (CTI)

Kalorimetrą sudaro dvi ląstelės: vienoje įdedamas mėginys, o kitoje - etaloninis, vanduo - paprastai.

Temperatūrų skirtumas, susidarantis tarp ląstelių - dėl reakcijos, vykstančios mėginio ląstelėje - panaikinamas grįžtamojo ryšio sistema, kuri įleidžia šilumą, kad būtų galima išlyginti ląstelių temperatūrą.

Šis kalorimetro tipas leidžia sekti makromolekulių ir jų ligandų sąveiką.

Diferencinis nuskaitymo kalorimetras

Šis kalorimetras turi dvi ląsteles, kaip ir CTI, tačiau jame yra įtaisas, leidžiantis nustatyti temperatūros ir šilumos srautus, susijusius su medžiagos pokyčiais, kaip laiko funkcija.

Šis metodas suteikia informacijos apie baltymų ir nukleorūgščių sulankstymą, taip pat jų stabilizavimą.

Programos

-Kalorimetrija leidžia nustatyti šilumos mainus, vykstančius vykstant cheminei reakcijai, tokiu būdu leidžia aiškiau suprasti jo mechanizmą.

-Nustatant savitą medžiagos šilumą, kalorimetrija pateikia duomenis, kurie padeda ją identifikuoti.

- Kadangi yra tiesioginis proporcingumas tarp šiluminės reakcijos kaitos ir reagentų koncentracijos, taip pat atsižvelgiant į tai, kad kalorimetrijai nereikia aiškių mėginių, šis metodas gali būti naudojamas nustatyti medžiagų, esančių sudėtingose ​​matricose, koncentraciją.

-Chemijos inžinerijos srityje kalorimetrija naudojama saugos procese, taip pat skirtingose ​​optimizavimo proceso, cheminės reakcijos ir operacinio bloko srityse.

Izoterminės titravimo kalorimetrijos naudojimas

- koloboratai nustatant fermento veikimo mechanizmą ir jo kinetiką. Šiuo metodu galima išmatuoti molekulių reakcijas, nustatant surišimo afinitetą, stechiometriją, entalpiją ir entropiją tirpale be žymeklių.

- Įvertina nanodalelių sąveiką su baltymais ir kartu su kitais analizės metodais yra svarbi priemonė baltymų konformacinių pokyčių fiksavimui.

- Tai taikoma konservuojant maistą ir augalus.

-Apsaugodami maistą galite nustatyti jo pablogėjimą ir tinkamumo laiką (mikrobiologinį aktyvumą). Galite palyginti skirtingų maisto konservavimo metodų efektyvumą ir sugebate nustatyti optimalią konservantų dozę, taip pat skilimą pakuotės kontrolėje.

-Apie daržovių pasėlius galite ištirti sėklos daigumą. Būdami vandenyje ir esant deguoniui, jie išskiria šilumą, kurią galima išmatuoti izoterminiu kalorimetru. Patikrinkite sėklų amžių ir netinkamą laikymą bei išmėginkite jų augimo greitį kintant temperatūrai, pH ar skirtingoms cheminėms medžiagoms.

- Pagaliau galima išmatuoti dirvožemių biologinį aktyvumą. Be to, jis gali aptikti ligas.

Diferencialinės nuskaitymo kalorimetrijos naudojimo būdai

- Kartu su izotermine kalorimetrija tai leido ištirti baltymų sąveiką su jų ligadais, alosterinę sąveiką, baltymų sulankstymą ir jų stabilizavimo mechanizmą.

-Galite tiesiogiai išmatuoti šilumą, kuri išsiskiria ar sugeria molekulinio sujungimo metu.

-Diferencinė nuskaitymo kalorimetrija yra termodinaminė priemonė, leidžianti tiesiogiai nustatyti ėminyje esančią šilumos energiją. Tai leidžia analizuoti faktorius, susijusius su baltymo molekulės stabilumu.

Taip pat tiriama nukleorūgščių sulankstymo perėjimo termodinamika. Šis metodas leidžia nustatyti izoliuotos ir sujungtos su kitais lipidais linolo rūgšties oksidacinį stabilumą.

- Ši metodika naudojama kiekybiškai nustatant nanodalelių, naudojamų farmacijoje, ir šiluminės charakteristikos nanostruktūrizuotus lipidų pernešėjus.

Nuorodos

1. Whitten, K., Davis, R., Peck, M. ir Stanley, G. Chemija. (2008). 8-asis leidimas „Cengage“ mokymosi redagavimas.
2. Rehakas, N. N. ir jaunas, DS (1978). Numatomi kalorimetrijos pritaikymai klinikinėje laboratorijoje. Klin. Chem., 24 (8): 1414–1419.
3. Stossel, F. (1997). Reakcijos kalorimetrijos taikymo būdai chemijos inžinerijoje. J. Term. Anal. 49 (3): 1677-1688.
4. Weberis, PC ir Salemme, FR (2003). Kalorimetrinių metodų taikymas nustatant vaistus ir tiriant baltymų sąveiką. Curr. Nuomonės. Struct. Biol., 13 (1): 115–121.
5. Gill, P., Moghadem, T. ir Ranjbar, B. (2010). Diferenciniai nuskaitymo kalorimetriniai metodai: taikymai biologijoje ir nanomoksle. J. Biol., Techn. 21 (4): 167–193.
6. Omanovičius-Miklicaninas, E., Manfieldas, I. ir Wilkinsas, T. (2017). Izoterminės titravimo kalorimetrijos taikymas vertinant baltymų ir nanodalelių sąveiką. J. Term. Anal. 127: 605-613.
7. Bendruomenės kolegijos konsorciumas biologinių mokslų kvalifikacijai įvertinti. (2014 m. Liepos 7 d.). Kavos puodelio kalorimetras. . Gauta 2018 m. Birželio 7 d. Iš: commons.wikimedia.org