KALORIMETRI: NEYI INCELIYOR VE UYGULAMALARI - KIMYA - 2025

Kalorimetrisi bir kimyasal veya fiziksel bir işlem ile bağlantılı bir sistem kalori içeriği değişiklikleri belirleyen bir tekniktir. Bir sistem ısıyı emdiğinde veya yaydığında sıcaklık değişikliklerinin ölçülmesine dayanır. Kalorimetre, bir ısı değişiminin dahil olduğu reaksiyonlarda kullanılan ekipmandır.

"Kahve fincanı" olarak bilinen şey, bu tür cihazların en basit şeklidir. Bunu kullanarak, sulu bir çözelti içinde sabit basınçta gerçekleştirilen reaksiyonlarda yer alan ısı miktarı ölçülür. Bir kahve fincanı kalorimetresi, bir beher içine yerleştirilmiş bir polistiren kaptan oluşur.

Su, belirli bir derecede ısı yalıtımı sağlayan aynı malzemeden yapılmış bir kapakla donatılmış polistiren kabın içine yerleştirilir. Ek olarak, kapta bir termometre ve mekanik bir karıştırıcı bulunur.

Bu kalorimetre, sulu bir çözelti içinde bir reaksiyon gerçekleştiğinde, reaksiyonun endotermik veya ekzotermik olmasına bağlı olarak emilen veya yayılan ısı miktarını ölçer. İncelenecek sistem, reaktifler ve ürünlerden oluşur.

Kalorimetri neyi inceler?

Kalorimetri, bir kimyasal reaksiyonla ilişkili ısı enerjisi arasındaki ilişkiyi ve bunun değişkenlerini belirlemek için nasıl kullanıldığını inceler. Araştırma alanlarındaki uygulamaları bu yöntemlerin kapsamını haklı çıkarmaktadır.

Bir kalorimetrenin kalori kapasitesi

Bu kapasite, kalorimetre tarafından emilen ısı miktarının sıcaklıktaki değişime bölünmesiyle hesaplanır. Bu varyasyon, ekzotermik reaksiyonda yayılan ısının ürünüdür ve şuna eşittir:

Kalorimetre tarafından emilen ısı miktarı + çözelti tarafından emilen ısı miktarı

Değişim, sıcaklıktaki değişim ölçülerek bilinen miktarda ısı eklenerek belirlenebilir. Kalorik kapasitenin bu tespiti için, yanma ısısı (3,227 kJ / mol) bilindiğinden, genellikle benzoik asit kullanılır.

Kalorik kapasite, bir elektrik akımı kullanılarak ısı eklenerek de belirlenebilir.

Misal

95 g barlık bir metal 400 C'ye ısıtılır ve hemen başlangıçta 20 C'de 500 g su ile kalorimetreye alınır. Sistemin son sıcaklığı 24ºC'dir. Metalin özgül ısısını hesaplayın.

Δq = mx ce x Δt

Bu ifadede:

Δq = yük değişimi.

m = kütle.

ce = özgül ısı.

Δt = sıcaklık değişimi.

Suyun kazandığı ısı, metal çubuktan çıkan ısıya eşittir.

Bu değer, gümüş için özgül ısı tablosunda görünen değere benzer (234 J / kg ºC).

Dolayısıyla kalorimetri uygulamalarından biri, malzemelerin tanımlanması için işbirliğidir.

Kalorimetrik pompa

Bu kapta meydana gelen reaksiyonlar sırasında oluşabilecek yüksek basınçlara dayanıklı, pompa olarak bilinen çelik bir kaptan oluşur; Bu kap, reaksiyonları başlatmak için bir ateşleme devresine bağlanır.

Pompa, işlevi reaksiyonlar sırasında pompada oluşan ısıyı absorbe ederek sıcaklık değişimini küçük yapan suyla büyük bir kaba daldırılır. Su kabı bir termometre ve mekanik bir karıştırıcı ile donatılmıştır.

Enerji değişiklikleri neredeyse sabit hacim ve sıcaklıkta ölçülür, bu nedenle pompada oluşan reaksiyonlar üzerinde herhangi bir çalışma yapılmaz.

ΔE = q

ΔE, reaksiyondaki iç enerjinin ve reaksiyonda üretilen ısının değişmesidir.

Kalorimetre türleri

İzotermal Titrasyon Kalorimetresi (CTI)

Kalorimetrenin iki hücresi vardır: Birine numune yerleştirilir ve diğerine referans, genellikle su yerleştirilir.

Numune hücresinde meydana gelen reaksiyon nedeniyle hücreler arasında oluşan sıcaklık farkı, hücrelerin sıcaklıklarını eşitlemek için ısı enjekte eden bir geri bildirim sistemi tarafından iptal edilir.

Bu tip kalorimetre, makromoleküller ve ligandları arasındaki etkileşimi takip etmeyi sağlar.

Diferansiyel Taramalı Kalorimetre

Bu kalorimetrenin CTI gibi iki hücresi vardır, ancak bir malzemedeki değişikliklerle ilişkili sıcaklık ve ısı akışlarının zamanın bir fonksiyonu olarak belirlenmesine izin veren bir cihaza sahiptir.

Bu teknik, proteinlerin ve nükleik asitlerin katlanması ve stabilizasyonu hakkında bilgi verir.

Uygulamalar

-Kalorimetre, kimyasal bir reaksiyonda meydana gelen ısı değişimini belirlemeye ve böylece mekanizmasının daha net anlaşılmasına izin verir.

-Bir malzemenin özgül ısısını belirleyerek, kalorimetri onu tanımlamaya yardımcı olan verileri sağlar.

- Bir reaksiyonun ısı değişimi ile reaktanların konsantrasyonu arasında doğrudan bir orantı olduğu için, kalorimetrinin net numuneler gerektirmemesi gerçeğiyle birleştiğinde, bu teknik, karmaşık matrislerde bulunan maddelerin konsantrasyonunu belirlemek için kullanılabilir.

-Kimya mühendisliği alanında, kalorimetri, güvenlik sürecinde, ayrıca optimizasyon sürecinin farklı alanlarında, kimyasal reaksiyonda ve işletim ünitesinde kullanılır.

İzotermal titrasyon kalorimetrisinin kullanım alanları

-Enzim etki mekanizmasının oluşturulmasında ve kinetiğinde işbirliği yapar. Bu teknik, moleküller arasındaki reaksiyonları ölçebilir, bağlanma afinitesini, stokiyometriyi, entalpi ve çözeltideki entropiyi işaretleyicilere ihtiyaç duymadan belirleyebilir.

-Nanopartiküllerin proteinlerle etkileşimini değerlendirir ve diğer analitik yöntemlerle birlikte proteinlerin konformasyonel değişikliklerini kaydetmek için önemli bir araçtır.

-Gıda ve mahsulün muhafazasında uygulaması vardır.

-Gıdanın korunmasına gelince, bozulmasını ve raf ömrünü (mikrobiyolojik aktivite) belirleyebilirsiniz. Farklı gıda koruma yöntemlerinin verimliliğini karşılaştırabilir ve optimum koruyucu dozunun yanı sıra ambalaj kontrolündeki bozulmayı belirleyebilirsiniz.

-Sebze bitkilerine gelince, tohumların çimlenmesini inceleyebilirsiniz. Suda ve oksijen varlığında, izotermal kalorimetre ile ölçülebilen ısıyı serbest bırakırlar. Tohumların yaşını ve uygun olmayan şekilde depolanmasını inceleyin ve sıcaklık, pH veya farklı kimyasallardaki değişimler altında büyüme oranlarını inceleyin.

-Son olarak toprakların biyolojik aktivitesini ölçebilir. Ayrıca hastalıkları tespit edebilir.

Diferansiyel Tarama Kalorimetrisinin Kullanım Alanları

-İzotermal kalorimetri ile birlikte, proteinlerin ligandları ile etkileşimini, allosterik etkileşimi, proteinlerin katlanmasını ve stabilizasyon mekanizmalarını incelemeyi mümkün kılmıştır.

-Bir moleküler bağlanma olayı sırasında açığa çıkan veya emilen ısıyı doğrudan ölçebilirsiniz.

-Diferansiyel taramalı kalorimetri, bir numunede oluşan ısı enerjisi alımının doğrudan oluşturulması için termodinamik bir araçtır. Bu, protein molekülünün stabilitesiyle ilgili faktörlerin analiz edilmesini mümkün kılar.

-Nükleik asit katlama geçişinin termodinamiğini de inceler. Teknik, izole edilmiş ve diğer lipidlere bağlanmış linoleik asidin oksidatif stabilitesinin belirlenmesine izin verir.

-Teknik, farmasötik kullanım için nano katıların miktar tayininde ve nano yapılı lipid taşıyıcıların termal karakterizasyonunda uygulanır.

Referanslar

1. Whitten, K., Davis, R., Peck, M. ve Stanley, G. Chemistry. (2008). 8. baskı. Cengage Learning Düzenle.
2. Rehak, NN ve Young, DS (1978). Klinik laboratuvarda ileriye dönük kalorimetri uygulamaları. Clin. Chem. 24 (8): 1414-1419.
3. Stossel, F. (1997). Reaksiyon kalorimetrisinin kimya mühendisliğinde uygulamaları. J. Therm. Anal. 49 (3): 1677-1688.
4. Weber, PC ve Salemme, FR (2003). Kalorimetrik yöntemlerin ilaç keşfine uygulamaları ve protein etkileşimlerinin incelenmesi. Curr. Opin. Struct. Biol.13 (1): 115-121.
5. Gill, P., Moghadem, T. ve Ranjbar, B. (2010). Diferansiyel tarama kalorimetrik teknikleri: Biyoloji ve nanobilimdeki uygulamalar. J. Biol.Teknoloji 21 (4): 167-193.
6. Omanovic-Miklicanin, E., Manfield, I. ve Wilkins, T. (2017). İzotermal titrasyon kalorimetrisinin protein-nanopartikül etkileşimlerinin değerlendirilmesinde uygulamaları. J. Therm. Anal. 127: 605-613.
7. Community College Consortium for Bioscience Credentials. (7 Temmuz 2014). Kahve fincanı kalorimetresi. . 7 Haziran 2018'de commons.wikimedia.org adresinden alındı