CALORIMETRIE: WAT HET BESTUDEERT EN TOEPAST - CHEMIE - 2024

De calorimetrie is een techniek die de veranderingen van de calorische inhoud van een systeem bepaalt dat verband houdt met een chemisch of fysisch proces. Het is gebaseerd op het meten van temperatuurveranderingen wanneer een systeem warmte opneemt of afgeeft. De calorimeter is de apparatuur die wordt gebruikt bij reacties waarbij een warmte-uitwisseling plaatsvindt.

Wat bekend staat als een "koffiekopje" is de eenvoudigste vorm van dit type apparaat. Door het te gebruiken, wordt de hoeveelheid warmte gemeten die betrokken is bij reacties die bij constante druk in een waterige oplossing worden uitgevoerd. Een koffiekopcalorimeter bestaat uit een polystyreen bakje, dat in een bekerglas wordt geplaatst.

Het water wordt in de polystyreencontainer geplaatst, voorzien van een deksel van hetzelfde materiaal dat het een zekere mate van thermische isolatie geeft. Daarnaast heeft de container een thermometer en een mechanische roerder.

Deze calorimeter meet de hoeveelheid warmte die wordt geabsorbeerd of afgegeven, afhankelijk van of de reactie endotherm of exotherm is, wanneer een reactie plaatsvindt in een waterige oplossing. Het te bestuderen systeem bestaat uit de reactanten en de producten.

Wat doet calorimetrieonderzoek?

Calorimetrie bestudeert de relatie tussen de warmte-energie die gepaard gaat met een chemische reactie en hoe deze wordt gebruikt om de variabelen ervan te bepalen. Hun toepassingen in onderzoeksgebieden rechtvaardigen de reikwijdte van deze methoden.

Calorische capaciteit van een calorimeter

Deze capaciteit wordt berekend door de hoeveelheid warmte die door de calorimeter wordt opgenomen, te delen door de temperatuurverandering. Deze variatie is het product van de warmte die vrijkomt bij een exotherme reactie, die gelijk is aan:

Hoeveelheid warmte opgenomen door de calorimeter + hoeveelheid warmte opgenomen door de oplossing

De variatie kan worden bepaald door een bekende hoeveelheid warmte toe te voegen door de temperatuurverandering te meten. Voor deze bepaling van de calorische capaciteit wordt meestal benzoëzuur gebruikt, aangezien de verbrandingswarmte (3227 kJ / mol) bekend is.

De calorische capaciteit kan ook worden bepaald door warmte toe te voegen met behulp van een elektrische stroom.

Voorbeeld

Een reep van 95 g van een metaal wordt verwarmd tot 400 ºC en brengt het onmiddellijk naar een calorimeter met 500 g water, aanvankelijk bij 20 ºC. De eindtemperatuur van het systeem is 24 ºC. Bereken de soortelijke warmte van het metaal.

Δq = mx ce x Δt

In deze uitdrukking:

Δq = variatie in belasting.

m = massa.

ce = soortelijke warmte.

Δt = temperatuurvariatie.

De warmte die door het water wordt gewonnen, is gelijk aan de warmte die wordt afgegeven door de metalen staaf.

Deze waarde is vergelijkbaar met die in een tabel met de soortelijke warmte voor zilver (234 J / kg ºC).

Een van de toepassingen van calorimetrie is dus samenwerking bij de identificatie van materialen.

Calorimetrische pomp

Het bestaat uit een stalen container, ook wel pomp genoemd, die bestand is tegen de hoge drukken die kunnen ontstaan ​​tijdens de reacties die in deze container optreden; Deze container is aangesloten op een ontstekingscircuit om de reacties te starten.

De pomp is ondergedompeld in een grote bak met water, waarvan de functie is om de warmte op te nemen die tijdens de reacties in de pomp wordt gegenereerd, waardoor de temperatuurvariatie klein is. Het waterreservoir is voorzien van een thermometer en een mechanische roerder.

Energieveranderingen worden gemeten bij vrijwel constant volume en temperatuur, er wordt dus niet gewerkt aan de reacties die in de pomp optreden.

ΔE = q

ΔE is de variatie van de interne energie in de reactie en q de warmte die erin wordt gegenereerd.

Soorten calorimeter

Isotherme titratiecalorimeter (CTI)

De calorimeter heeft twee cellen: in de ene wordt het monster geplaatst en in de andere, de referentie, wordt meestal water geplaatst.

Het temperatuurverschil dat ontstaat tussen de cellen - door de reactie die plaatsvindt in de monstercel - wordt opgeheven door een feedbacksysteem dat warmte injecteert om de temperatuur van de cellen gelijk te maken.

Dit type calorimeter maakt het mogelijk om de interactie tussen macromoleculen en hun liganden te volgen.

Differentiële scanning calorimeter

Deze calorimeter heeft twee cellen, zoals de CTI, maar heeft een apparaat waarmee de temperatuur en warmtefluxen kunnen worden bepaald die verband houden met veranderingen in een materiaal als functie van de tijd.

Deze techniek geeft informatie over de vouwing van eiwitten en nucleïnezuren, evenals hun stabilisatie.

Toepassingen

-De calorimetrie maakt het mogelijk om de warmte-uitwisseling te bepalen die plaatsvindt bij een chemische reactie, waardoor een beter begrip van het mechanisme ervan mogelijk is.

-Door de soortelijke warmte van een materiaal te bepalen, levert calorimetrie gegevens op die helpen om het te identificeren.

-Aangezien er een directe evenredigheid is tussen de warmteverandering van een reactie en de concentratie van de reactanten, gekoppeld aan het feit dat calorimetrie geen duidelijke monsters vereist, kan deze techniek worden gebruikt om de concentratie van stoffen die aanwezig zijn in complexe matrices te bepalen.

-Op het gebied van chemische technologie wordt calorimetrie gebruikt in het veiligheidsproces, maar ook op verschillende gebieden van het optimalisatieproces, de chemische reactie en in de operationele eenheid.

Maakt gebruik van isotherme titratiecalorimetrie

- Werkt samen bij de totstandkoming van het enzymactiemechanisme, evenals bij de kinetiek ervan. Deze techniek kan reacties tussen moleculen meten en bindingsaffiniteit, stoichiometrie, enthalpie en entropie in oplossing bepalen zonder dat markers nodig zijn.

- Beoordeelt de interactie van nanodeeltjes met eiwitten en is, in combinatie met andere analytische methoden, een belangrijk instrument om de conformatieveranderingen van eiwitten vast te leggen.

-Het heeft toepassing bij het behoud van voedsel en gewassen.

-Wat betreft het bewaren van voedsel, kunt u de bederf en houdbaarheid ervan bepalen (microbiologische activiteit). U kunt de efficiëntie van verschillende conserveringsmethoden voor voedsel vergelijken en u kunt de optimale dosis conserveermiddelen bepalen, evenals de afbraak in de verpakkingscontrole.

-Wat groentegewassen betreft, kun je de kieming van het zaad bestuderen. Omdat ze zich in water en in aanwezigheid van zuurstof bevinden, geven ze warmte af die kan worden gemeten met een isothermische calorimeter. Onderzoek de leeftijd en onjuiste opslag van de zaden en bestudeer hun groeisnelheid onder variaties in temperatuur, pH of verschillende chemicaliën.

-Tenslotte kan het de biologische activiteit van bodems meten. Bovendien kan het ziekten detecteren.

Gebruik van differentiële scanningcalorimetrie

-Samen met isotherme calorimetrie heeft het het mogelijk gemaakt om de interactie van eiwitten met hun liganden, de allosterische interactie, de vouwing van eiwitten en het mechanisme van hun stabilisatie te bestuderen.

-U kunt direct de warmte meten die vrijkomt of geabsorbeerd wordt tijdens een moleculaire binding.

-Differentiële scanningcalorimetrie is een thermodynamisch hulpmiddel voor het direct vaststellen van de opname van warmte-energie die plaatsvindt in een monster. Dit maakt het mogelijk om de factoren te analyseren die een rol spelen bij de stabiliteit van het eiwitmolecuul.

-Het bestudeert ook de thermodynamica van de overgang van nucleïnezuurvouwing. Met deze techniek kan de oxidatieve stabiliteit van linolzuur worden bepaald, geïsoleerd en gekoppeld aan andere lipiden.

-De techniek wordt toegepast bij de kwantificering van nanovaste stoffen voor farmaceutisch gebruik en bij de thermische karakterisering van nanogestructureerde lipidetransporters.

Referenties

1. Whitten, K., Davis, R., Peck, M. en Stanley, G. Chemistry. (2008). 8e ed. Cengage Learning Edit.
2. Rehak, NN en Young, DS (1978). Potentiële toepassingen van calorimetrie in het klinische laboratorium. Clin. Chem. 24 (8): 1414-1419.
3. Stossel, F. (1997). Toepassingen van reactiecalorimetrie in de chemische technologie. J. Therm. Anaal. 49 (3): 1677-1688.
4. Weber, PC en Salemme, FR (2003). Toepassingen van calorimetrische methoden voor het ontdekken van geneesmiddelen en de studie van eiwitinteracties. Curr. Opin. Struct. Biol.13 (1): 115-121.
5. Gill, P., Moghadem, T. en Ranjbar, B. (2010). Differentiële scanning calorimetrische technieken: toepassingen in de biologie en nanowetenschappen. J. Biol. Tech.21 (4): 167-193.
6. Omanovic-Miklicanin, E., Manfield, I. en Wilkins, T. (2017). Toepassingen van isotherme titratiecalorimetrie bij de evaluatie van eiwit-nanodeeltjesinteracties. J. Therm. Anaal. 127: 605-613.
7. Community College Consortium voor Bioscience-referenties. (7 juli 2014). Koffiekopje calorimeter. . Opgehaald op 7 juni 2018, van: commons.wikimedia.org