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Calorimetria Quali studi e applicazioni
il calorimetria è una tecnica che determina i cambiamenti nel contenuto calorico di un sistema associato a un processo chimico o fisico. Si basa sulla misurazione delle variazioni di temperatura quando un sistema assorbe o emette calore. Il calorimetro è l'apparecchiatura utilizzata nelle reazioni in cui è coinvolto uno scambio di calore.
Ciò che è noto come "tazza di caffè" è la forma più semplice di questo tipo di dispositivo. Con il suo uso, viene misurata la quantità di calore coinvolto nelle reazioni effettuate a pressione costante in una soluzione acquosa. Un calorimetro del tipo a tazza di caffè è costituito da un contenitore di polistirolo, che viene posto in un becher.
L'acqua è collocata nel contenitore di polistirolo, dotato di un coperchio dello stesso materiale che gli conferisce un certo grado di isolamento termico. Inoltre, il contenitore ha un termometro e un agitatore meccanico.
In questo calorimetro, la quantità di calore assorbita o emessa viene misurata, a seconda che la reazione sia endotermica o esotermica, quando una reazione avviene in una soluzione acquosa. Il sistema da studiare è costituito dai reagenti e dai prodotti.
indice
- 1 Che cosa studi?
- 2 Capacità calorica di un calorimetro
- 2.1 Esempio di utilizzo del calorimetro per calcolare il calore specifico
- 3 pompe calorimetriche
- 4 tipi di calorimetro
- 4.1 Calorimetro di titolazione isotermica (CTI)
- 4.2 Calorimetro a scansione differenziale
- 5 applicazioni
- 5.1 Usi della calorimetria di titolazione isotermica
- 5.2 Usi di calorimetria differenziale a scansione
- 6 riferimenti
Cosa studi?
La calorimetria studia la relazione che ha l'energia calorifica associata a una reazione chimica e come viene utilizzata per determinarne le variabili. Le loro applicazioni nei campi di ricerca giustificano la portata di questi metodi.
Capacità calorica di un calorimetro
Questa capacità viene calcolata dividendo la quantità di calore assorbita dal calorimetro dalla variazione di temperatura. Questa variazione è un prodotto del calore che viene emesso in una reazione esotermica, che è uguale a:
Quantità di calore assorbita dal calorimetro + quantità di calore assorbita dalla soluzione
La variazione può essere determinata aggiungendo una quantità nota di calore misurando il cambiamento di temperatura. Per questa determinazione della capacità calorica, di solito si usa l'acido benzoico, poiché è noto il suo calore di combustione (3,227 kJ / mol).
La capacità calorica può anche essere determinata dall'aggiunta di calore da una corrente elettrica.
esempiodell'uso del calorimetro per calcolare il calore specifico
Una barra di 95 g di un metallo viene riscaldata a 400 ºC, prendendo immediatamente un calorimetro con 500 g di acqua, inizialmente a 20 ºC. La temperatura finale del sistema è 24ºC. Calcola il calore specifico del metallo.
Δq = m x ce x Δt
In questa espressione:
Δq = variazione del carico.
m = massa.
ce = calore specifico.
Δt = variazione di temperatura.
Il calore ottenuto dall'acqua è uguale al calore rilasciato dalla barra di metallo.
Questo valore è simile a quello di una tabella di calore specifica per l'argento (234 J / kg ºC).
Quindi, una delle applicazioni della calorimetria è la cooperazione per l'identificazione dei materiali.
Pompa calorimetrica
È costituito da un contenitore in acciaio, noto come la pompa, resistente alle alte pressioni che possono insorgere durante le reazioni che si verificano in questo contenitore; Questo contenitore è collegato a un circuito di accensione per avviare le reazioni.
La pompa è immersa in un grande contenitore con acqua, la cui funzione è quella di assorbire il calore generato nella pompa durante le reazioni, rendendo la variazione della temperatura ridotta. Il contenitore dell'acqua è dotato di un termometro e di un agitatore meccanico.
I cambiamenti di energia sono misurati praticamente a volume e temperatura costanti, quindi non viene eseguito alcun lavoro sulle reazioni che si verificano nella pompa.
ΔE = q
ΔE è la variazione dell'energia interna nella reazione e q il calore generato in essa.
Tipi di calorimetro
Calorimetro di titolazione isotermica (CTI)
Il calorimetro ha due celle: in una si posiziona il campione e nell'altra, quella di riferimento, si posiziona solitamente l'acqua.
La differenza di temperatura generata tra le celle, dovuta alla reazione che si verifica nella cella del campione, viene annullata da un sistema di feedback che inietta calore per uniformare le temperature delle celle.
Questo tipo di calorimetro consente di seguire l'interazione tra le macromolecole e i loro ligandi.
Calorimetro a scansione differenziale
Questo calorimetro ha due celle, le stesse del CTI, ma ha un dispositivo che consente di determinare la temperatura e i flussi di calore associati ai cambiamenti di un materiale in funzione del tempo.
Questa tecnica fornisce informazioni sul ripiegamento di proteine e acidi nucleici, nonché sulla loro stabilizzazione.
applicazioni
-La calorimetria permette di determinare lo scambio di calore che avviene in una reazione chimica, permettendo di comprendere più chiaramente il meccanismo di questo.
-Con la determinazione del calore specifico di un materiale, la calorimetria fornisce dati che aiutano la sua identificazione.
- Poiché esiste una proporzionalità diretta tra il cambiamento di calore di una reazione e la concentrazione dei reagenti, insieme al fatto che la calorimetria non richiede campioni chiari, questa tecnica può essere utilizzata per determinare la concentrazione di sostanze presenti in matrici complesse.
-Nel campo dell'ingegneria chimica, la calorimetria è utilizzata nel processo di sicurezza, così come in diversi campi del processo di ottimizzazione, reazione chimica e nell'unità operativa.
Usi della calorimetria di titolazione isotermica
-Collaborare nella creazione del meccanismo di azione enzimatica, così come la sua cinetica. Questa tecnica può misurare le reazioni tra le molecole, determinando l'affinità di legame, la stechiometria, l'entalpia e l'entropia in soluzione senza la necessità di marcatori.
-Valuta l'interazione di nanoparticelle con proteine e, in combinazione con altri metodi analitici, è uno strumento importante per registrare i cambiamenti conformazionali delle proteine.
-Ha applicazione nella conservazione di alimenti e colture.
-Per quanto riguarda la conservazione del cibo, è possibile determinarne il deterioramento e il tempo di vita sugli scaffali (attività microbiologica). È possibile confrontare l'efficienza dei diversi metodi di conservazione degli alimenti e si è in grado di determinare la dose ottimale di conservanti, nonché il degrado nel controllo dell'imballaggio.
-Per quanto riguarda le colture orticole, puoi studiare la germinazione del seme. Essendo in acqua e in presenza di ossigeno, rilasciano calore che può essere misurato con un calorimetro isotermico. Esamina l'età e la conservazione inadeguata dei semi e studia il loro tasso di crescita di fronte a variazioni di temperatura, pH o diverse sostanze chimiche.
-Infine, può misurare l'attività biologica dei terreni. Inoltre, può rilevare le malattie.
Usi della calorimetria differenziale a scansione
-In congiuntamente alla calorimetria isotermica, ha permesso di studiare l'interazione delle proteine con i loro ligandi, l'interazione allosterica, il ripiegamento delle proteine e il meccanismo della loro stabilizzazione.
-Il calore che viene rilasciato o assorbito durante un evento di legame molecolare può essere misurato direttamente.
-La calorimetria a scansione differenziale è uno strumento termodinamico per la determinazione diretta della cattura di energia calorica che si verifica in un campione. Questo ci permette di analizzare i fattori che intervengono nella stabilità della molecola proteica.
-Si studia anche la termodinamica della transizione di piegatura dell'acido nucleico. La tecnica consente la determinazione della stabilità ossidativa dell'acido linoleico isolato e accoppiato ad altri lipidi.
-La tecnica è applicata nella quantificazione dei nano-solidi farmaceutici e nella caratterizzazione termica dei trasportatori di lipidi nanostrutturati.
riferimenti
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- Gill, P., Moghadem, T. e Ranjbar, B. (2010). Tecniche calorimetriche a scansione differenziale: applicazioni in biologia e nanoscienza. J. Biol. Tech.21 (4): 167-193.
- Omanovic-Miklicanin, E., Manfield, I. and Wilkins, T. (2017). Applicazioni della calorimetria della titolazione isotermica nella valutazione delle interazioni tra proteine e nanoparticelle. J. Therm. Anale. 127: 605-613.
- Consorzio del Community College per le credenziali di bioscienza. (7 luglio 2014). Calorimetro per tazza di caffè. [Figura]. Estratto il 7 giugno 2018 da: commons.wikimedia.org