КАЛОРИМЕТРИЯ: ЧТО ОНА ИЗУЧАЕТ И ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2026

Калориметрии является метод , который определяет изменение калорийности системы , связанной с химическим или физическим способом. Он основан на измерении изменений температуры, когда система поглощает или излучает тепло. Калориметр - это оборудование, используемое в реакциях, в которых участвует теплообмен.

То, что известно как «кофейная чашка», является самой простой формой этого типа прибора. С его помощью измеряется количество тепла, участвующего в реакциях, проводимых при постоянном давлении в водном растворе. Калориметр кофейной чашки состоит из контейнера из полистирола, который помещается в стакан.

Вода помещается в емкость из полистирола, снабженную крышкой из того же материала, которая обеспечивает определенную теплоизоляцию. Кроме того, в емкости есть термометр и механическая мешалка.

Этот калориметр измеряет количество тепла, которое поглощается или выделяется, в зависимости от того, является ли реакция эндотермической или экзотермической, когда реакция протекает в водном растворе. Исследуемая система состоит из реагентов и продуктов.

Что изучает калориметрия?

Калориметрия изучает взаимосвязь между тепловой энергией, связанной с химической реакцией, и тем, как она используется для определения ее переменных. Их применение в исследовательских областях оправдывает область применения этих методов.

Калорийность калориметра

Эта емкость рассчитывается путем деления количества тепла, поглощаемого калориметром, на изменение температуры. Это изменение является продуктом тепла, выделяемого в экзотермической реакции, которое равно:

Количество тепла, поглощаемого калориметром + количество тепла, поглощаемого раствором

Отклонение может быть определено путем добавления известного количества тепла путем измерения изменения температуры. Для определения теплотворной способности обычно используется бензойная кислота, поскольку известна ее теплота сгорания (3227 кДж / моль).

Калорийность также можно определить, добавив тепла с помощью электрического тока.

пример

Металлический стержень весом 95 г нагревают до 400 ºC и сразу же переносят его в калориметр с 500 г воды, первоначально при 20 ºC. Конечная температура системы 24 ºC. Рассчитайте удельную теплоемкость металла.

Δq = mx ce x Δt

В этом выражении:

Δq = изменение нагрузки.

m = масса.

ce = удельная теплоемкость.

Δt = изменение температуры.

Тепло, получаемое водой, равно теплу, отдаваемому металлическим стержнем.

Это значение аналогично тому, которое отображается в таблице удельной теплоемкости серебра (234 Дж / кг ºC).

Итак, одно из применений калориметрии - это сотрудничество для идентификации материалов.

Калориметрический насос

Он состоит из стального контейнера, известного как насос, устойчивого к высоким давлениям, которые могут возникать во время реакций, протекающих в этом контейнере; Этот контейнер подключен к цепи зажигания, чтобы начать реакции.

Насос погружается в большой контейнер с водой, функция которого заключается в поглощении тепла, выделяемого в насосе во время реакций, благодаря чему колебания температуры незначительны. Емкость для воды оснащена термометром и механической мешалкой.

Изменения энергии измеряются практически при постоянном объеме и температуре, поэтому реакции, происходящие в насосе, не выполняются.

ΔE = q

ΔE - это изменение внутренней энергии реакции, а q - выделяемое в ней тепло.

Типы калориметров

Изотермический калориметр для титрования (CTI)

Калориметр имеет две ячейки: в одну помещается образец, а в другую - эталон, обычно помещается вода.

Разница температур, возникающая между ячейками - из-за реакции, происходящей в ячейке с образцом - компенсируется системой обратной связи, которая нагнетает тепло для выравнивания температур ячеек.

Калориметр этого типа позволяет следить за взаимодействием макромолекул с их лигандами.

Дифференциальный сканирующий калориметр

Этот калориметр имеет две ячейки, как и CTI, но в нем есть устройство, которое позволяет определять температуру и тепловые потоки, связанные с изменениями в материале, как функцию времени.

Этот метод дает информацию о сворачивании белков и нуклеиновых кислот, а также об их стабилизации.

Приложения

-Калориметрия позволяет определить теплообмен, происходящий в химической реакции, что позволяет более четко понять ее механизм.

- Путем определения удельной теплоемкости материала калориметрия предоставляет данные, которые помогают ее идентифицировать.

-Поскольку существует прямая пропорциональность между тепловым изменением реакции и концентрацией реагентов, в сочетании с тем фактом, что для калориметрии не требуются прозрачные образцы, этот метод можно использовать для определения концентрации веществ, присутствующих в сложных матрицах.

-В области химической инженерии калориметрия используется в процессе обеспечения безопасности, а также в различных областях процесса оптимизации, химической реакции и в рабочем блоке.

Использование калориметрии изотермического титрования

-Сотрудничает в установлении механизма действия фермента, а также в его кинетике. Этот метод позволяет измерять реакции между молекулами, определять аффинность связывания, стехиометрию, энтальпию и энтропию в растворе без необходимости использования маркеров.

-Оценивает взаимодействие наночастиц с белками и, в сочетании с другими аналитическими методами, является важным инструментом для регистрации конформационных изменений белков.

-Он имеет применение при сохранении продуктов питания и сельскохозяйственных культур.

-Что касается сохранности продуктов, вы можете определить их порчу и срок хранения (микробиологическую активность). Вы можете сравнить эффективность различных методов консервирования пищевых продуктов и определить оптимальную дозу консервантов, а также степень деградации при упаковке.

-Что касается овощных культур, можно изучить всхожесть семян. Находясь в воде и в присутствии кислорода, они выделяют тепло, которое можно измерить с помощью изотермического калориметра. Изучите возраст и неправильное хранение семян и изучите их скорость роста при изменении температуры, pH или различных химических веществ.

-Наконец, он может измерять биологическую активность почв. Кроме того, он может обнаруживать заболевания.

Использование дифференциальной сканирующей калориметрии

-В сочетании с изотермической калориметрией это позволило изучить взаимодействие белков с их лигандами, аллостерическое взаимодействие, укладку белков и механизм их стабилизации.

-Вы можете напрямую измерить тепло, выделяемое или поглощаемое во время молекулярного связывания.

-Дифференциальная сканирующая калориметрия - это термодинамический инструмент для прямого определения поглощения тепловой энергии образцом. Это позволяет анализировать факторы, влияющие на стабильность белковой молекулы.

-Он также изучает термодинамику фолдинга нуклеиновой кислоты. Метод позволяет определять окислительную стабильность линолевой кислоты, выделенной и связанной с другими липидами.

-Этот метод применяется для количественного определения нанотвердых веществ для фармацевтического использования и для определения термических характеристик наноструктурированных переносчиков липидов.

Ссылки

1. Уиттен, К., Дэвис, Р., Пек, М. и Стэнли, Г. Химия. (2008). 8-е изд. Cengage Learning Править.
2. Рехак, Н.Н. и Янг, Д.С. (1978). Перспективы применения калориметрии в клинической лаборатории. Clin. Chem.24 (8): 1414-1419.
3. Стоссель, Ф. (1997). Применение реакционной калориметрии в химической технологии. J. Therm. Анальный. 49 (3): 1677-1688.
4. Вебер, П.К. и Салемм, Франция (2003). Применение калориметрических методов к открытию лекарств и изучению белковых взаимодействий. Тек. ОПИН. Struct. Биол.13 (1): 115-121.
5. Гилл, П., Могхадем, Т. и Ранджбар, Б. (2010). Дифференциальные сканирующие калориметрические методы: приложения в биологии и нанонауке. J. Biol. Tech. 21 (4): 167-193.
6. Оманович-Микличанин, Э., Мэнфилд, И. и Уилкинс, Т. (2017). Применение калориметрии изотермического титрования для оценки взаимодействий белок-наночастица. J. Therm. Анальный. 127: 605-613.
7. Консорциум общественных колледжей для получения сертификатов биологических наук. (7 июля 2014 г.). Калориметр кофейной чашки. , Получено 7 июня 2018 г. с: commons.wikimedia.org.