- Què estudia la calorimetria?
- Capacitat calòrica d'un calorímetre
- exemple
- bomba calorimètrica
- Tipus de calorímetre
- Calorímetre de titulació isotèrmica (CTI)
- Calorímetre d'escaneig diferencial
- aplicacions
- Usos de la calorimetria de titulació isotèrmica
- Usos de la calorimetria d'escaneig diferencial
- referències
La calorimetria és una tècnica que determina els canvis de l'contingut calòric d'un sistema associats amb un procés químic o físic. Es basa en el mesurament dels canvis de temperatures quan un sistema absorbeix o emet calor. El calorímetre és l'equip que s'utilitza en les reaccions en què està involucrat un intercanvi tèrmic.
El que es coneix com "tassa de cafè" és la forma més simple d'aquest tipus d'aparell. Mitjançant el seu ús es mesura la quantitat de calor involucrat en reaccions realitzades a pressió constant en una dissolució aquosa. Un calorímetre tipus tassa de cafè consisteix d'un envàs de poliestirè, el qual es col·loca en un got de precipitat.
L'aigua es col·loca en l'envàs de poliestirè, dotat d'una tapa de el mateix material que li confereix un cert grau d'aïllament tèrmic. A més, l'envàs té un termòmetre i un agitador mecànic.
En aquest calorímetre es mesura la quantitat de calor que s'absorbeix o s'emet, depenent de si la reacció és endotèrmica o exotèrmica, quan una reacció té lloc en una solució aquosa. El sistema a estudiar està constituït pels reactius i els productes.
Què estudia la calorimetria?
La calorimetria estudia la relació que té l'energia calorífica associada a una reacció química, i com aquesta s'utilitza per determinar variables de la mateixa. Les seves aplicacions en els camps d'investigació justifiquen l'abast d'aquests mètodes.
Capacitat calòrica d'un calorímetre
Aquesta capacitat es calcula dividint la quantitat de calor que absorbeix el calorímetre entre la variació de la temperatura. Aquesta variació és producte de la calor que s'emet en una reacció exotèrmica, la qual és igual a:
Quantitat de calor que absorbeix el calorímetre + quantitat de calor que absorbeix la dissolució
Es pot determinar la variació afegint una quantitat de calor coneguda mesurant el canvi de temperatura. Per a aquesta determinació de la capacitat calòrica l'àcid benzoic sol usar-se, ja que es coneix la seva calor de combustió (3,227 kJ / mol).
També es pot determinar la capacitat calòrica mitjançant l'addicció de calor mitjançant un corrent elèctric.
exemple
Una barra de 95 g d'un metall s'escalfa a 400 ºC, portant-immediatament a un calorímetre amb 500 g d'aigua, inicialment a 20 ºC. La temperatura final de el sistema és de 24 ºC. Calculi la calor específica de l'metall.
Δq = mx ce x At
En aquesta expressió:
Δq = variació de càrrega.
m = massa.
ce = calor específica.
At = variació de temperatura.
La calor guanyat per l'aigua és igual a la calor despresa de la barra de metall.
Aquest valor s'assembla a què apareix en una taula de la calor específica per a la plata (234 J / kg ºC).
Llavors, una de les aplicacions de la calorimetria és la cooperació per a la identificació de materials.
bomba calorimètrica
Consta d'un recipient d'acer, conegut com la bomba, resistent a les altes pressions que poden originar-se durant les reaccions que ocorren en aquest envàs; aquest envàs va connectat a un circuit d'ignició per començar les reaccions.
La bomba està immersa en un envàs gran amb aigua, la funció és absorbir la calor que es genera a la bomba durant les reaccions, fent que la variació de temperatura sigui petita. El recipient d'aigua està dotat d'un termòmetre i un agitador mecànic.
Els canvis energètics es mesuren pràcticament a volum i temperatura constants, de manera que no es realitza treball en les reaccions que ocorren a la bomba.
ΔE = q
ΔE és la variació de l'energia interna en la reacció iq la calor generada en aquesta.
Tipus de calorímetre
Calorímetre de titulació isotèrmica (CTI)
El calorímetre presenta dues cel·les: en una es col·loca la mostra i en l'altra, la de referència, generalment es col·loca aigua.
La diferència de temperatura que es genera entre les cel·les -a causa de la reacció que ocorre en la cel·la de la mostra- és anul·lada mitjançant un sistema de retroalimentació que injecta calor per igualar les temperatures de les cel·les.
Aquest tipus de calorímetre permet seguir la interacció entre les macromolècules i els seus lligands.
Calorímetre d'escaneig diferencial
Aquest calorímetre presenta dues cel·les, igual que l'CTI, però té un dispositiu que permet determinar la temperatura i els fluxos de calor associats als canvis d'un material en funció de el temps.
Aquesta tècnica dóna informació sobre el plegament de les proteïnes i els àcids nucleics, així com de la seva estabilització.
aplicacions
-La calorimetria permet determinar l'intercanvi de calor que ocorre en una reacció química, permetent així entendre més clarament el mecanisme d'aquesta.
-Mitjançant la determinació de la calor específica d'un material, la calorimetria aporta dades que ajuden a la seva identificació.
-Com hi ha una proporcionalitat directa entre el canvi de calor d'una reacció i la concentració dels reactants, conjuminat a el fet que la calorimetria no requereix de mostres netes, es pot usar aquesta tècnica per determinar la concentració de substàncies presents en matrius complexes.
-En el camp de l'enginyeria química s'usa la calorimetria en el procés de seguretat, així com en diferents camps de l'procés d'optimització, reacció química i en la unitat d'operació.
Usos de la calorimetria de titulació isotèrmica
-Col·labora en l'establiment de l'mecanisme d'acció enzimàtica, així com en el seu cinètica. Aquesta tècnica pot mesurar les reaccions entre molècules, determinant l'afinitat d'enllaç, l'estequiometria, l'entalpia i l'entropia en solució sense la necessitat de punts.
-Evalúa la interacció de les nanopartícules amb les proteïnes i, en conjunt amb altres mètodes analítics, és una eina important per registrar els canvis conformacionals de les proteïnes.
-Té aplicació en la conservació dels aliments i en els cultius.
-Pel que fa a la conservació dels aliments, pot determinar el seu deteriorament i temps de vida en els prestatges (activitat microbiològica). Pot comparar l'eficiència de diferents mètodes de conservació dels aliments, i és capaç de determinar la dosi òptima de conservants, així com la degradació en el control d'empaquetament.
-Pel que fa a cultius de vegetals, pot estudiar la germinació de la llavor. A l'estar en aigua i en presència d'oxigen, aquestes alliberen calor que pot mesurar-se amb un calorímetre isotèrmic. Examina l'edat i emmagatzematge inadequat de les llavors i estudia la seva velocitat de creixement davant variacions de temperatura, pH o de diferents químics.
-Finalment, pot mesurar l'activitat biològica dels sòls. A més, pot detectar malalties.
Usos de la calorimetria d'escaneig diferencial
-Juntament amb la calorimetria isotèrmica, ha permès estudiar la interacció de proteïnes amb els seus lligands, la interacció al·lostèrica, el plegament de les proteïnes i el mecanisme de la seva estabilització.
-Es pot mesurar directament la calor que s'allibera o absorbeix durant un esdeveniment d'enllaç molecular.
-La calorimetria d'escaneig diferencial és una eina termodinàmica per a l'establiment directe de la captació d'energia calòrica que passa en una mostra. Això permet analitzar els factors que intervenen en l'estabilitat de la molècula proteica.
-També estudia la termodinàmica de la transició de l'plegament dels àcids nucleics. La tècnica permet la determinació de l'estabilitat oxidativa de l'àcid linoleic aïllat i acoblat a altres lípids.
-La tècnica s'aplica en la quantificació dels nanosólidos d'ús farmacèutics i en la caracterització tèrmica de transportadors de lípids nanoestructurats.
referències
- Whitten, K., Davis, R., Peck, M. and Stanley, G. Chemistry. (2008). 8th ed. Cengage Learning Edit.
- Rehak, NN and Young, DS (1978). Prospective applications of calorimetry in the clinical laboratory. Clin. Chem. 24 (8): 1414-1419.
- Stossel, F. (1997). Applications of reaction calorimetry in chemical engineering. J. Therm. Anal. 49 (3): 1677-1688.
- Weber, PC and Salemme, FR (2003). Applications of calorimetric methods to drug discovery and the study of protein interactions. Curr. Opin. Struct. Biol. 13 (1): 115-121.
- Gill, P., Moghadem, T. and Ranjbar, B. (2010). Differential scanning calorimetric techniques: applications in Biology and Nanoscience. J. Biol. Tech.21 (4): 167-193.
- Omanovic-Miklicanin, I., Manfield, I. and Wilkins, T. (2017). Applications of isothermal titration calorimetry in evaluation of protein-nanoparticle interactions. J. Therm. Anal. 127: 605-613.
- Community College Consortium for Bioscience Credentials. (07 de juliol de 2014). Coffee cup calorimeter.. Recuperat el 07 de juny de 2018, de: commons.wikimedia.org