КАЛОРИМЕТРІЯ: ЩО ВИВЧАЄ ТА ЗАСТОСУВАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Калориметрії є метод , який визначає зміну калорійності системи , пов'язаної з хімічним або фізичним способом. Він заснований на вимірюванні зміни температури, коли система поглинає або виділяє тепло. Калориметр - це обладнання, яке використовується в реакціях, в яких бере участь теплообмін.

Те, що відоме як «кавова чашка», є найпростішою формою цього типу приладів. За його допомогою вимірюється кількість тепла, що бере участь у реакціях, що здійснюються при постійному тиску у водному розчині. Калориметр кавової чашки складається з полістирольної ємності, яка поміщається в стакан.

Вода поміщається в полістирольний контейнер, обладнаний кришкою, виготовленою з того ж матеріалу, що надає їй певного ступеня теплоізоляції. Крім того, в ємності є термометр і механічна мішалка.

Цей калориметр вимірює кількість тепла, яке поглинається або випромінюється, залежно від того, є реакція ендотермічною чи екзотермічною, коли реакція відбувається у водному розчині. Система, що вивчається, складається з реагентів і продуктів.

Що вивчає калориметрія?

Калориметрія вивчає взаємозв'язок між тепловою енергією, пов'язаною з хімічною реакцією, і способом її використання для визначення її змінних. Їх застосування в галузях досліджень виправдовує сферу застосування цих методів.

Калорійність калориметра

Ця ємність обчислюється діленням кількості теплоти, що поглинається калориметром, на зміну температури. Ця зміна є продуктом тепла, який випромінюється в екзотермічній реакції, яка дорівнює:

Кількість тепла, що поглинається калориметром + кількість теплоти, що поглинається розчином

Варіант може бути визначений додаванням відомої кількості тепла шляхом вимірювання зміни температури. Для цього визначення калорійності зазвичай використовують бензойну кислоту, оскільки відома її теплота горіння (3,227 кДж / моль).

Калорійність ємності також може бути визначена шляхом додавання тепла за допомогою електричного струму.

Приклад

95 г бруска металу нагрівають до 400 ºC, негайно переносячи його в калориметр з 500 г води, спочатку при 20 ° С. Кінцева температура системи - 24 ºC. Обчисліть питому теплоту металу.

Δq = mx ce x Δt

У цьому виразі:

Δq = коливання навантаження.

m = маса.

ce = питоме тепло.

Δt = зміна температури.

Тепло, що отримується водою, дорівнює тепла, що виділяється з металевого бруска.

Це значення схоже на значення, яке відображається в таблиці питомої теплоти для срібла (234 Дж / кг ºC).

Отже, одним із застосувань калориметрії є співпраця для ідентифікації матеріалів.

Калориметричний насос

Він складається із сталевого контейнера, відомого як насос, стійкого до високого тиску, який може виникнути під час реакцій, що відбуваються в цьому контейнері; Цей контейнер підключений до ланцюга запалювання для запуску реакцій.

Насос занурений у велику ємність з водою, функція якої полягає в поглинанні тепла, яке утворюється в насосі під час реакцій, роблячи коливання температури невеликими. Ємність з водою обладнана термометром і механічною мішалкою.

Зміни енергії вимірюються практично постійним об'ємом і температурою, тому робота над реакціями, що виникають у насосі, не проводиться.

ΔE = q

ΔE - це зміна внутрішньої енергії в реакції і q теплоти, що утворюється в ній.

Види калориметра

Ізотермічний калориметр титрування (CTI)

Калориметр має дві комірки: в одну поміщають зразок, а в іншу - еталонну, як правило, воду.

Різниця в температурі, що утворюється між клітинами - завдяки реакції, що відбувається в клітині зразка - скасовується системою зворотного зв'язку, яка вводить тепло для вирівнювання температур клітин.

Цей тип калориметра дозволяє прослідкувати взаємодію між макромолекулами та їх лігандами.

Диференціальний скануючий калориметр

Цей калориметр має дві комірки, як CTI, але він має пристрій, який дозволяє визначати температуру та теплові потоки, пов’язані зі змінами матеріалу, як функцію часу.

Ця методика дає інформацію про згортання білків та нуклеїнових кислот, а також про їх стабілізацію.

Програми

-Калориметрія дозволяє визначити теплообмін, що відбувається в хімічній реакції, тим самим дозволяє чіткіше зрозуміти її механізм.

-Встановлюючи питому теплоту матеріалу, калориметрія надає дані, що допомагають ідентифікувати його.

- Оскільки існує пряма пропорційність між зміною тепла реакції та концентрацією реагентів у поєднанні з тим, що калориметрія не потребує чітких зразків, ця методика може бути використана для визначення концентрації речовин, присутніх у складних матрицях.

-У галузі хімічної інженерії калориметрія використовується в процесі безпеки, а також в різних областях процесу оптимізації, хімічної реакції та в операційному блоці.

Використання ізотермічної титруючої калориметрії

-Співпрацює у створенні механізму дії ферментів, а також у його кінетиці. Ця методика може вимірювати реакції між молекулами, визначаючи спорідненість зв'язування, стехіометрію, ентальпію та ентропію в розчині без необхідності маркерів.

-Оцінює взаємодію наночастинок з білками і, спільно з іншими аналітичними методами, є важливим інструментом для фіксації конформаційних змін білків.

-У ньому є застосування в консервації продуктів харчування та сільськогосподарських культур.

-Якщо для збереження їжі можна визначити її погіршення та термін зберігання (мікробіологічна активність). Ви можете порівняти ефективність різних методів консервування їжі, і ви зможете визначити оптимальну дозу консервантів, а також деградацію в контролі упаковки.

-Що стосується овочевих культур, ви можете вивчити проростання насіння. Перебуваючи у воді та в присутності кисню, вони виділяють тепло, яке можна виміряти ізотермічним калориметром. Вивчіть вік та неправильне зберігання насіння та вивчіть їх швидкість росту при коливаннях температури, рН чи різних хімічних речовин.

-Зрештою, він може вимірювати біологічну активність ґрунтів. Крім того, він може виявити захворювання.

Використання диференціальної скануючої калориметрії

-Заодно з ізотермічною калориметрією це дозволило вивчити взаємодію білків із їх лігандами, аллостеричну взаємодію, згортання білків та механізм їх стабілізації.

-Ви можете безпосередньо вимірювати тепло, яке виділяється або поглинається під час події молекулярного зв'язку.

-Диференціальна скануюча калориметрія - це термодинамічний інструмент для прямого встановлення поглинання теплової енергії, що відбувається у зразку. Це дає можливість проаналізувати фактори, що беруть участь у стабільності молекули білка.

-Там же вивчає термодинаміку переходу нуклеїнової кислоти. Методика дозволяє визначити окислювальну стійкість виділеної лінолевої кислоти та з'єднаної з іншими ліпідами.

-Техніка застосовується при кількісному оцінці наносолідів для фармацевтичного використання та термічній характеристиці наноструктурованих ліпідних транспортерів.

Список літератури

1. Віттен, К., Девіс, Р., Пек, М. і Стенлі, Г. Хімія. (2008). 8-е вид. Редагування навчального вмісту.
2. Рехак, Н. Н. та Янг, DS (1978). Перспективне застосування калориметрії в клінічній лабораторії. Клін. Хім. 24 (8): 1414-1419.
3. Stossel, F. (1997). Застосування реакційної калориметрії в хімічній техніці. Дж. Терм. Анальний. 49 (3): 1677-1688.
4. Weber, PC та Salemme, FR (2003). Застосування калориметричних методів для виявлення лікарських засобів та вивчення взаємодії білків. Curr. Думка. Структуру. Біол. 13 (1): 115-121.
5. Гілл, П., Могадем, Т. і Рандбар, Б. (2010). Диференціальні скануючі калориметричні методи: застосування в біології та нанонауки. J. Biol. Tech. 21 (4): 167-193.
6. Оманович-Міклічанін, Е., Менфілд, І. та Вілкінс, Т. (2017). Застосування ізотермічної калориметрії титрування в оцінці взаємодії білок-наночастинки. Дж. Терм. Анальний. 127: 605-613.
7. Консорціум з акредитацій біологічних наук. (7 липня 2014 р.). Калориметр кавової чашки. . Отримано 7 червня 2018 року з: commons.wikimedia.org