KALORIMETRIE: WAS ES STUDIERT UND ANWENDET - CHEMIE - 2025

Die Kalorimetrie ist eine Technik, die die Änderungen des Kaloriengehalts eines Systems bestimmt, die mit einem chemischen oder physikalischen Prozess verbunden sind. Es basiert auf der Messung von Temperaturänderungen, wenn ein System Wärme absorbiert oder abgibt. Das Kalorimeter ist die Ausrüstung, die bei Reaktionen verwendet wird, an denen ein Wärmeaustausch beteiligt ist.

Was als "Kaffeetasse" bekannt ist, ist die einfachste Form dieses Gerätetyps. Durch seine Verwendung wird die Wärmemenge gemessen, die an Reaktionen beteiligt ist, die bei konstantem Druck in einer wässrigen Lösung durchgeführt werden. Ein Kaffeetassenkalorimeter besteht aus einem Styroporbehälter, der in ein Becherglas gegeben wird.

Das Wasser wird in den Styroporbehälter gegeben, der mit einem Deckel aus demselben Material ausgestattet ist, der ihm einen gewissen Grad an Wärmeisolierung verleiht. Zusätzlich verfügt der Behälter über ein Thermometer und einen mechanischen Rührer.

Dieses Kalorimeter misst die Wärmemenge, die absorbiert oder abgegeben wird, je nachdem, ob die Reaktion endotherm oder exotherm ist, wenn eine Reaktion in einer wässrigen Lösung stattfindet. Das zu untersuchende System besteht aus den Reaktanten und den Produkten.

Was studiert Kalorimetrie?

Die Kalorimetrie untersucht die Beziehung zwischen der mit einer chemischen Reaktion verbundenen Wärmeenergie und ihrer Verwendung zur Bestimmung ihrer Variablen. Ihre Anwendungen in Forschungsbereichen rechtfertigen den Umfang dieser Methoden.

Kalorienkapazität eines Kalorimeters

Diese Kapazität wird berechnet, indem die vom Kalorimeter aufgenommene Wärmemenge durch die Temperaturänderung dividiert wird. Diese Variation ist das Produkt der Wärme, die bei einer exothermen Reaktion abgegeben wird. Dies entspricht:

Vom Kalorimeter aufgenommene Wärmemenge + von der Lösung aufgenommene Wärmemenge

Die Variation kann durch Hinzufügen einer bekannten Wärmemenge durch Messen der Temperaturänderung bestimmt werden. Für diese Bestimmung der Kalorienkapazität wird üblicherweise Benzoesäure verwendet, da deren Verbrennungswärme (3.227 kJ / mol) bekannt ist.

Die Kalorienkapazität kann auch durch Hinzufügen von Wärme unter Verwendung eines elektrischen Stroms bestimmt werden.

Beispiel

Ein 95 g-Riegel eines Metalls wird auf 400 ºC erhitzt und sofort mit 500 g Wasser zu einem Kalorimeter gebracht, zunächst bei 20 ºC. Die Endtemperatur des Systems beträgt 24 ºC. Berechnen Sie die spezifische Wärme des Metalls.

Δq = mx ce x Δt

In diesem Ausdruck:

Δq = Lastschwankung.

m = Masse.

ce = spezifische Wärme.

Δt = Temperaturschwankung.

Die vom Wasser gewonnene Wärme entspricht der von der Metallstange abgegebenen Wärme.

Dieser Wert ähnelt dem in einer Tabelle der spezifischen Wärme für Silber (234 J / kg ºC) angegebenen Wert.

Eine der Anwendungen der Kalorimetrie ist die Zusammenarbeit bei der Identifizierung von Materialien.

Kalorimetrische Pumpe

Es besteht aus einem Stahlbehälter, der als Pumpe bezeichnet wird und gegen die hohen Drücke beständig ist, die während der in diesem Behälter auftretenden Reaktionen auftreten können. Dieser Behälter ist mit einem Zündkreis verbunden, um die Reaktionen zu starten.

Die Pumpe wird in einen großen Behälter mit Wasser getaucht, dessen Funktion darin besteht, die Wärme zu absorbieren, die während der Reaktionen in der Pumpe erzeugt wird, wodurch die Temperaturschwankung gering wird. Der Wasserbehälter ist mit einem Thermometer und einem mechanischen Rührer ausgestattet.

Energieänderungen werden bei praktisch konstantem Volumen und nahezu konstanter Temperatur gemessen, sodass die in der Pumpe auftretenden Reaktionen nicht bearbeitet werden.

ΔE = q

ΔE ist die Variation der inneren Energie in der Reaktion und q der darin erzeugten Wärme.

Arten von Kalorimetern

Isothermes Titrationskalorimeter (CTI)

Das Kalorimeter hat zwei Zellen: In einer wird die Probe platziert und in der anderen, der Referenz, wird im Allgemeinen Wasser platziert.

Die Temperaturdifferenz, die zwischen den Zellen aufgrund der Reaktion in der Probenzelle erzeugt wird, wird durch ein Rückkopplungssystem ausgeglichen, das Wärme einspeist, um die Temperaturen der Zellen auszugleichen.

Diese Art von Kalorimeter ermöglicht es, die Wechselwirkung zwischen Makromolekülen und ihren Liganden zu verfolgen.

Differential Scanning Calorimeter

Dieses Kalorimeter hat zwei Zellen, wie das CTI, aber es verfügt über ein Gerät, mit dem die Temperatur- und Wärmeströme bestimmt werden können, die mit Änderungen eines Materials als Funktion der Zeit verbunden sind.

Diese Technik gibt Auskunft über die Faltung von Proteinen und Nukleinsäuren sowie deren Stabilisierung.

Anwendungen

-Die Kalorimetrie ermöglicht es, den Wärmeaustausch zu bestimmen, der bei einer chemischen Reaktion auftritt, und ermöglicht so ein klareres Verständnis ihres Mechanismus.

- Durch die Bestimmung der spezifischen Wärme eines Materials liefert die Kalorimetrie Daten, die zur Identifizierung beitragen.

- Da es eine direkte Proportionalität zwischen der Wärmeänderung einer Reaktion und der Konzentration der Reaktanten gibt, verbunden mit der Tatsache, dass für die Kalorimetrie keine klaren Proben erforderlich sind, kann diese Technik verwendet werden, um die Konzentration von Substanzen zu bestimmen, die in komplexen Matrices vorhanden sind.

-In der chemischen Technik wird die Kalorimetrie sowohl im Sicherheitsprozess als auch in verschiedenen Bereichen des Optimierungsprozesses, der chemischen Reaktion und in der Bedieneinheit eingesetzt.

Verwendung der isothermen Titrationskalorimetrie

- Arbeitet an der Etablierung des Enzymwirkungsmechanismus sowie an seiner Kinetik mit. Diese Technik kann Reaktionen zwischen Molekülen messen und die Bindungsaffinität, Stöchiometrie, Enthalpie und Entropie in Lösung bestimmen, ohne dass Marker erforderlich sind.

- Untersucht die Wechselwirkung von Nanopartikeln mit Proteinen und ist in Verbindung mit anderen Analysemethoden ein wichtiges Instrument zur Aufzeichnung der Konformationsänderungen von Proteinen.

-Es hat Anwendung in der Konservierung von Lebensmitteln und Pflanzen.

- Für die Konservierung von Lebensmitteln können Sie deren Verschlechterung und Haltbarkeit (mikrobiologische Aktivität) bestimmen. Sie können die Effizienz verschiedener Methoden zur Lebensmittelkonservierung vergleichen und die optimale Dosis an Konservierungsmitteln sowie die Verschlechterung der Verpackungskontrolle bestimmen.

- Wie bei Gemüsepflanzen können Sie die Keimung des Samens untersuchen. In Wasser und in Gegenwart von Sauerstoff geben sie Wärme ab, die mit einem isothermen Kalorimeter gemessen werden kann. Untersuchen Sie das Alter und die unsachgemäße Lagerung der Samen und untersuchen Sie deren Wachstumsrate unter Schwankungen der Temperatur, des pH-Werts oder verschiedener Chemikalien.

-Finally kann es die biologische Aktivität von Böden messen. Darüber hinaus kann es Krankheiten erkennen.

Verwendung der Differentialscanningkalorimetrie

Zusammen mit der isothermen Kalorimetrie konnten die Wechselwirkung von Proteinen mit ihren Liganden, die allosterische Wechselwirkung, die Faltung von Proteinen und der Mechanismus ihrer Stabilisierung untersucht werden.

-Sie können direkt die Wärme messen, die während eines molekularen Bindungsereignisses freigesetzt oder absorbiert wird.

-Differential Scanning Calorimetry ist ein thermodynamisches Werkzeug zur direkten Ermittlung der Aufnahme von Wärmeenergie in einer Probe. Dies ermöglicht die Analyse der Faktoren, die an der Stabilität des Proteinmoleküls beteiligt sind.

-Es untersucht auch die Thermodynamik des Nukleinsäurefaltungsübergangs. Die Technik ermöglicht die Bestimmung der Oxidationsstabilität von isolierter und an andere Lipide gekoppelter Linolsäure.

-Die Technik wird bei der Quantifizierung von Nanosoliden für pharmazeutische Zwecke und bei der thermischen Charakterisierung von nanostrukturierten Lipidtransportern angewendet.

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