קלורימטריה: מה היא לומדת ויישומים - כִּימִיָה - 2025

Calorimetry היא טכניקה שקובעת את השינויים של התכולה הקלורית של מערכת קשורה תהליך כימי או פיזי. זה מבוסס על מדידת שינויי טמפרטורה כאשר מערכת סופגת או פולטת חום. הקלורימטר הוא הציוד המשמש בתגובות בהן מעורב חילופי חום.

מה שמכונה "כוס קפה" הוא הצורה הפשוטה ביותר של מכשיר מסוג זה. על ידי השימוש בו נמדדת כמות החום המעורבת בתגובות המתבצעות בלחץ קבוע בתמיסה מימית. קלורימטר כוס קפה מורכב ממכל קלקר, שמונח בספל.

המים מונחים במיכל קלקר, מצוידים במכסה העשוי מאותו החומר המקנה להם מידה מסוימת של בידוד תרמי. בנוסף, למכולה מדחום ומערבב מכני.

קלורימטר זה מודד את כמות החום שנספגת או נפלטת, תלוי אם התגובה היא אנדותרמית או אקסותרמית, כאשר התגובה מתרחשת בתמיסה מימית. המערכת הנלמדת מורכבת מהגיבויים והמוצרים.

מה לומד קלורימטריה?

קלורימטריה בוחנת את הקשר בין אנרגיית החום הקשורה לתגובה כימית, וכיצד היא משמשת לקביעת המשתנים שלה. היישומים שלהם בתחומי מחקר מצדיקים את היקף השיטות הללו.

קיבולת קלורית של קלורימטר

יכולת זו מחושבת על ידי חלוקת כמות החום שנספגת על ידי הקלורימטר בשינוי הטמפרטורה. וריאציה זו היא תוצר של החום הנפלט בתגובה אקזוטית, השווה ל:

כמות החום שנספגת על ידי הקלורימטר + כמות החום שנספגת על ידי התמיסה

ניתן לקבוע את השונות על ידי הוספת כמות ידועה של חום על ידי מדידת שינוי הטמפרטורה. לצורך קביעה זו של יכולת הקלוריות משתמשים בדרך כלל בחומצה בנזואית, מכיוון שחום הבעירה שלה (3,227 kJ / mol) ידוע.

ניתן לקבוע גם את יכולת הקלור על ידי הוספת חום באמצעות זרם חשמלי.

דוגמא

מוט 95 גרם של מתכת מחומם ל -400 מעלות צלזיוס, ומעביר אותו מייד לקלורימטר עם 500 גרם מים, תחילה לחום של 20 מעלות צלזיוס. הטמפרטורה הסופית של המערכת היא 24 מעלות צלזיוס. חשב את החום הספציפי של המתכת.

Δq = mx ce x Δt

בביטוי זה:

Δq = וריאציית עומס.

m = מסה.

ce = חום ספציפי.

Δt = שונות טמפרטורה.

החום שהמים מקבלים שווה לחום המוענק ממוט המתכת.

ערך זה דומה לזה המופיע בטבלה של החום הספציפי לכסף (234 J / kg ºC).

אז אחד היישומים של קלורימטריה הוא שיתוף פעולה לזיהוי חומרים.

משאבה קלוריומטרית

זה מורכב ממכל פלדה, המכונה המשאבה, עמיד בפני הלחצים הגבוהים שיכולים להתעורר במהלך התגובות שמתרחשות במכל זה; מיכל זה מחובר למעגל הצתה כדי להפעיל את התגובות.

המשאבה שקועה במיכל גדול עם מים שתפקידם לספוג את החום הנוצר במשאבה במהלך התגובות, מה שהופך את שונות הטמפרטורה קטנה. מיכל המים מצויד במדחום ובמיקסר מכאני.

שינויי אנרגיה נמדדים בנפח ובטמפרטורה קבועים כמעט, כך שלא נעשית שום עבודה על התגובות המתרחשות במשאבה.

ΔE = ש

ΔE הוא הווריאציה של האנרגיה הפנימית בתגובה ו- q החום שנוצר בה.

סוגי קלורימטר

קלורימטר טיטורציה איזותרמיים (CTI)

בקלורימטר שני תאים: באחד מונחים הדגימה ובשני, ההתייחסות, בדרך כלל מונחים מים.

הפרש הטמפרטורה שנוצר בין התאים - עקב התגובה שמתרחשת בתא הדגימה - מבוטל על ידי מערכת משוב המזריקה חום כדי להשוות את הטמפרטורות של התאים.

קלורימטר מסוג זה מאפשר לעקוב אחר האינטראקציה בין מקרומולקולות לליגנדות שלהם.

קלורימטר סריקה דיפרנציאלי

בקלורימטר זה שני תאים, כמו ה- CTI, אך יש לו מכשיר המאפשר קביעת שטפי חום וטמפרטורה הקשורים לשינויים בחומר כפונקציה של זמן.

טכניקה זו נותנת מידע על קיפול חלבונים וחומצות גרעין וכן על ייצובם.

יישומים

הקלורימטריה מאפשרת לקבוע את חילופי החום המתרחשים בתגובה כימית, ובכך מאפשרת הבנה ברורה יותר של המנגנון שלה.

על ידי קביעת החום הספציפי של חומר, קלורימטריה מספקת נתונים המסייעים בזיהויו.

מכיוון שישנה מידתיות ישירה בין שינוי החום של תגובה לבין ריכוז המגיבים, יחד עם העובדה שקלורימטריה אינה דורשת דגימות ברורות, ניתן להשתמש בטכניקה זו כדי לקבוע את ריכוז החומרים הקיימים במטריצות מורכבות.

בתחום ההנדסה הכימית משתמשים בקלורימטריה בתהליך הבטיחות, כמו גם בתחומים שונים של תהליך מיטוב, תגובה כימית וביחידת ההפעלה.

שימושים בקלורימטריה של טיטרציה איזותרמית

-מדברת בהקמת מנגנון פעולת האנזים כמו גם בקינטיקה שלו. טכניקה זו יכולה למדוד תגובות בין מולקולות, קביעת זיקה קשירה, סטואיציומטריה, אנטלפיה ואנטרופיה בתמיסה ללא צורך בסמנים.

מעריך את האינטראקציה של חלקיקים עם חלקיקים עם חלבונים, ובשילוב עם שיטות אנליטיות אחרות, הוא כלי חשוב לתיעוד השינויים הקונפורציונליים של חלבונים.

יש לו יישום לשימור מזון וגידולים.

-באשר לשימור מזון, אתה יכול לקבוע את התדרדרותו ואת חיי המדף שלו (פעילות מיקרוביולוגית). אתה יכול להשוות את היעילות של שיטות שימור מזון שונות, ואתה יכול לקבוע את המינון האופטימלי של חומרים משמרים, כמו גם את השפלה בבקרת האריזה.

-בגידולים צמחיים אתה יכול ללמוד את נביטת הזרע. בהיותם במים ובנוכחות חמצן, הם משחררים חום שניתן למדוד בעזרת קלורימטר איזותרמי. בחן את הגיל והאחסון הלא תקין של הזרעים ובחן את קצב הגידול שלהם תחת שונות בטמפרטורה, pH או כימיקלים שונים.

בסופו של דבר זה יכול למדוד את הפעילות הביולוגית של קרקעות. בנוסף, הוא יכול לאתר מחלות.

שימושים בקלורימטרי סריקה דיפרנציאליים

- ביחד עם קלורימטריה איזותרמית, זה אפשר לחקור את האינטראקציה של חלבונים עם הליגנדים שלהם, את האינטראקציה האלסטרוסטרית, קיפול החלבונים ואת מנגנון הייצוב שלהם.

אתה יכול למדוד ישירות את החום שמשתחרר או נספג במהלך אירוע מליטה מולקולרי.

קלורימטריית סריקה דיפרנציאלית היא כלי תרמודינמי להקמה ישירה של ספיגת אנרגיית החום המתרחשת במדגם. זה מאפשר לנתח את הגורמים המעורבים ביציבות מולקולת החלבון.

זה גם חוקר את התרמודינמיקה של המעבר המתקפל בחומצה גרעינית. הטכניקה מאפשרת לקבוע את היציבות החמצונית של חומצה לינולאית מבודדת ומשודכת לליפידים אחרים.

הטכניקה מיושמת בכימות ננו-סולידיות לשימוש תרופתי ובאפיון התרמי של מסועי ליפידים ננו-מבניים.

הפניות

1. ויטן, ק., דייוויס, ר., פק, מ 'וסטנלי, ג. כימיה. (2008). מהדורה 8 לימוד Cengage לערוך.
2. Reak, NN ו- Young, DS (1978). יישומים פרוספקטיביים של קלורימטריה במעבדה הקלינית. קליניק. כימית 24 (8): 1414-1419.
3. סטוסל, פ '(1997). יישומים של קלורימטרי תגובה בהנדסה כימית. ג'יי תרם. אנאלי. 49 (3): 1677-1688.
4. וובר, PC ו- Salemme, FR (2003). יישומים של שיטות קלורימטריות לגילוי תרופות ולמחקר של אינטראקציות חלבון. קור. לחוות דעת. מבנה. ביול .13 (1): 115-121.
5. גיל, פ., מוגהמד, ט ורנג'בר, ב (2010). טכניקות קלוריומטריות סריקות דיפרנציאליות: יישומים בביולוגיה ומדעי הננו. ג 'ביול. טק. 21 (4): 167-193.
6. Omanovic-Miklicanin, E., Manfield, I. and Wilkins, T. (2017). יישומים של קלורימטריה של טיטרציה איזותרמית בהערכת אינטראקציות עם חלקיקי חלבון. ג'יי תרם. אנאלי. 127: 605-613.
7. קונסורציום המכללה הקהילתית לאישורי ביו-מדע. (7 ביולי 2014). קלורימטר כוס קפה. . הוחזר ב- 7 ביוני 2018 מ: commons.wikimedia.org