CALORIMETRY: KUNG ANO ANG PAG-AARAL AT APLIKASYON - CHEMISTRY - 2025

Ang calorimetry ay isang pamamaraan na tumutukoy sa mga pagbabago ng caloric content ng isang sistema na nauugnay sa isang kemikal o pisikal na proseso. Ito ay batay sa pagsukat ng mga pagbabago sa temperatura kapag ang isang sistema ay sumisipsip o naglalabas ng init. Ang calorimeter ay ang kagamitan na ginamit sa mga reaksyon kung saan kasangkot ang isang heat exchange.

Ang kilala bilang isang "tasa ng kape" ay ang pinakasimpleng anyo ng kagamitang ito. Sa pamamagitan ng paggamit nito, ang dami ng init na kasangkot sa mga reaksyon na isinasagawa sa palaging presyon sa isang may tubig na solusyon ay sinusukat. Ang isang calorimeter ng tasa ng kape ay binubuo ng isang lalagyan ng polisterin, na inilalagay sa isang beaker.

Ang tubig ay inilalagay sa lalagyan ng polystyrene, nilagyan ng takip na gawa sa parehong materyal na nagbibigay ito ng isang tiyak na antas ng pagkakabukod ng thermal. Bilang karagdagan, ang lalagyan ay may thermometer at isang mechanical stirrer.

Sinusukat ng calorimeter na ito ang dami ng init na nasisipsip o pinalabas, depende sa kung ang reaksyon ay endothermic o exothermic, kapag naganap ang isang reaksyon sa isang may tubig na solusyon. Ang sistemang dapat pag-aralan ay binubuo ng mga reaksyon at ang mga produkto.

Ano ang pag-aaral ng calorimetry?

Sinusuri ng Calorimetry ang ugnayan sa pagitan ng enerhiya ng init na nauugnay sa isang reaksyon ng kemikal, at kung paano ito ginagamit upang matukoy ang mga variable nito. Ang kanilang mga aplikasyon sa larangan ng pananaliksik ay nagbibigay-katwiran sa saklaw ng mga pamamaraan na ito.

Ang kapasidad ng caloric ng isang calorimeter

Ang kapasidad na ito ay kinakalkula sa pamamagitan ng paghati sa dami ng init na hinihigop ng calorimeter sa pamamagitan ng pagbabago sa temperatura. Ang pagkakaiba-iba na ito ay ang produkto ng init na inilalabas sa isang eksotermikong reaksyon, na katumbas ng:

Halaga ng init na hinihigop ng calorimeter + na halaga ng init na hinihigop ng solusyon

Ang pagkakaiba-iba ay maaaring matukoy sa pamamagitan ng pagdaragdag ng isang kilalang dami ng init sa pamamagitan ng pagsukat ng pagbabago sa temperatura. Para sa pagpapasiyang ito ng kapasidad ng caloric, karaniwang ginagamit ang benzoic acid, dahil ang init ng pagkasunog (3,227 kJ / mol) ay kilala.

Ang kapasidad ng caloric ay maaari ring matukoy sa pamamagitan ng pagdaragdag ng init gamit ang isang electric current.

Halimbawa

Ang isang 95 g bar ng isang metal ay pinainit sa 400 ºC, agad itong dalhin sa isang calorimeter na may 500 g ng tubig, sa una sa 20 ºC. Ang panghuling temperatura ng system ay 24 ºC. Kalkulahin ang tiyak na init ng metal.

Δq = mx ce x Δt

Sa expression na ito:

Ang pagkakaiba-iba ng load.

m = masa.

ce = tiyak na init.

=t = pagkakaiba-iba ng temperatura.

Ang init na nakuha ng tubig ay katumbas ng init na ibinigay mula sa metal bar.

Ang halagang ito ay katulad sa isa na lumilitaw sa isang talahanayan ng tukoy na init para sa pilak (234 J / kg ºC).

Kaya ang isa sa mga aplikasyon ng calorimetry ay pakikipagtulungan para sa pagkilala ng mga materyales.

Calorimetric pump

Binubuo ito ng isang lalagyan ng bakal, na kilala bilang bomba, lumalaban sa mataas na panggigipit na maaaring lumitaw sa mga reaksyon na nagaganap sa lalagyan na ito; Ang lalagyan na ito ay konektado sa isang circuit ng pag-aapoy upang simulan ang mga reaksyon.

Ang bomba ay nalubog sa isang malaking lalagyan na may tubig, na ang pag-andar ay upang makuha ang init na nabuo sa bomba sa panahon ng mga reaksyon, na ginagawang maliit ang pagkakaiba-iba ng temperatura. Ang lalagyan ng tubig ay nilagyan ng thermometer at isang mechanical stirrer.

Ang mga pagbabago sa enerhiya ay sinusukat sa halos pare-pareho ang dami at temperatura, kaya walang ginagawa sa mga reaksyon na nagaganap sa bomba.

ΔE = q

Ang isE ay ang pagkakaiba-iba ng panloob na enerhiya sa reaksyon at q ang init na nabuo dito.

Mga uri ng calorimeter

Isothermal Titration Calorimeter (CTI)

Ang calorimeter ay may dalawang mga cell: sa isang sample ay inilalagay at sa iba pa, ang sanggunian, ang tubig ay karaniwang inilalagay.

Ang pagkakaiba sa temperatura na nabuo sa pagitan ng mga cell - dahil sa reaksyon na nangyayari sa sample cell - ay kinansela ng isang sistema ng feedback na nag-inject ng init upang maihahambing ang mga temperatura ng mga cell.

Pinapayagan ng ganitong uri ng calorimeter na sundin ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng macromolecules at kanilang mga ligand.

Differential Scanning Calorimeter

Ang calorimeter na ito ay may dalawang mga cell, tulad ng CTI, ngunit mayroon itong isang aparato na nagbibigay-daan sa pagtukoy ng temperatura at mga pag-flake ng init na nauugnay sa mga pagbabago sa isang materyal bilang isang pag-andar ng oras.

Ang pamamaraan na ito ay nagbibigay ng impormasyon tungkol sa natitiklop na mga protina at mga nucleic acid, pati na rin ang kanilang pag-stabilize.

Aplikasyon

-Ang calorimetry ay nagbibigay-daan upang matukoy ang pagpapalitan ng init na nangyayari sa isang reaksyon ng kemikal, sa gayon pinapayagan ang isang mas malinaw na pag-unawa sa mekanismo nito.

-Ang pagtukoy ng tiyak na init ng isang materyal, ang calorimetry ay nagbibigay ng data na makakatulong upang makilala ito.

-Ang mayroong isang direktang proporsyonalidad sa pagitan ng pagbabago ng init ng isang reaksyon at konsentrasyon ng mga reaksyon, kasama ang katotohanan na ang calorimetry ay hindi nangangailangan ng malinaw na mga sample, ang pamamaraan na ito ay maaaring magamit upang matukoy ang konsentrasyon ng mga sangkap na naroroon sa mga kumplikadong matrices.

-Sa larangan ng kemikal na engineering, ang calorimetry ay ginagamit sa proseso ng kaligtasan, pati na rin sa iba't ibang larangan ng proseso ng pag-optimize, reaksyon ng kemikal at sa operating unit.

Gumagamit ng isothermal titration calorimetry

-Magtutulungan sa pagtatatag ng mekanismo ng pagkilos ng enzyme, pati na rin sa mga kinetics nito. Ang pamamaraan na ito ay maaaring masukat ang mga reaksyon sa pagitan ng mga molekula, pagtukoy ng nagbubuklod na pagkakaugnay, stoichiometry, enthalpy, at entropy sa solusyon nang hindi nangangailangan ng mga marker.

-Sinusisa ang pakikipag-ugnay ng mga nanoparticle na may mga protina at, kasabay ng iba pang mga pamamaraan ng analitikal, ay isang mahalagang tool upang maitala ang mga pagbabagong-anyo ng mga protina.

Mayroon itong aplikasyon sa pagpapanatili ng pagkain at pananim.

-Ang para sa pagpapanatili ng pagkain, maaari mong matukoy ang pagkasira at buhay ng istante (aktibidad ng microbiological). Maaari mong ihambing ang kahusayan ng iba't ibang mga paraan ng pagpapanatili ng pagkain, at nagagawa mong matukoy ang pinakamainam na dosis ng mga preservatives, pati na rin ang pagkasira sa control ng packaging.

-Ang para sa mga pananim ng gulay, maaari mong pag-aralan ang pagtubo ng binhi. Ang pagkakaroon ng tubig at pagkakaroon ng oxygen, naglalabas sila ng init na maaaring masukat sa isang isothermal calorimeter. Suriin ang edad at hindi tamang pag-iimbak ng mga buto at pag-aralan ang kanilang rate ng paglago sa ilalim ng mga pagkakaiba-iba sa temperatura, pH o iba't ibang mga kemikal.

- Sa kabuuan, maaari nitong masukat ang biological na aktibidad ng mga soils. Bilang karagdagan, maaari itong makakita ng mga sakit.

Gumagamit ng Differential Scorning Calorimetry

-Kasama sa isothermal calorimetry, nagawa nitong pag-aralan ang pakikipag-ugnay ng mga protina sa kanilang mga ligand, pakikipag-ugnay sa allosteric, ang natitiklop na mga protina at ang mekanismo ng kanilang pag-stabilize.

-Maaari mong direktang sukatin ang init na pinakawalan o hinihigop sa panahon ng isang kaganapan sa pag-bonding ng molekular.

-Differential pag-scan calorimetry ay isang tool na thermodynamic para sa direktang pagtatatag ng pag-aalsa ng enerhiya ng init na nangyayari sa isang sample. Ginagawa nitong posible na pag-aralan ang mga kadahilanan na kasangkot sa katatagan ng molekula ng protina.

-Nag-aaral din ito ng thermodynamics ng paglipat ng paglipat ng nucleic acid. Pinapayagan ng pamamaraan ang pagpapasiya ng oxidative na katatagan ng linoleic acid na nakahiwalay at isinama sa iba pang mga lipid.

-Ang pamamaraan ay inilalapat sa dami ng mga nanosolids para sa paggamit ng parmasyutiko at sa thermal characterization ng mga nanostructured lipid transporters.

Mga Sanggunian

1. Whitten, K., Davis, R., Peck, M. at Stanley, G. Chemistry. (2008). Ika-8 ed. Pag-edit ng Cengage Learning.
2. Rehak, NN at Young, DS (1978). Mga aplikasyon ng Calorimetry sa klinikal na laboratoryo. Clin. Chem. 24 (8): 1414-1419.
3. Stossel, F. (1997). Mga application ng reaksyon calorimetry sa kemikal na inhinyero. J. Therm. Anal. 49 (3): 1677-1688.
4. Weber, PC at Salemme, FR (2003). Ang mga aplikasyon ng mga pamamaraan ng calorimetric upang matuklasan ang gamot at ang pag-aaral ng mga pakikipag-ugnay sa protina. Curr. Opin. Istraktura. Biol. 13 (1): 115-121.
5. Gill, P., Moghadem, T. at Ranjbar, B. (2010). Mga pagkakaiba sa pag-scan ng calorimetric na pamamaraan: mga aplikasyon sa Biology at nanoscience. J. Biol. Tech. 21 (4): 167-193.
6. Omanovic-Miklicanin, E., Manfield, I. at Wilkins, T. (2017). Ang mga aplikasyon ng isothermal titration calorimetry sa pagsusuri ng mga pakikipag-ugnay sa protina-nanoparticle. J. Therm. Anal. 127: 605-613.
7. Community College Consortium para sa Mga Kredensyal ng Bioscience. (Hulyo 7, 2014). Calorimeter ng tasa ng kape. . Nakuha noong Hunyo 7, 2018, mula sa: commons.wikimedia.org