Calorimetria Que estudos e aplicações

O calorimetria é uma técnica que determina as mudanças no conteúdo calórico de um sistema associado a um processo químico ou físico. É baseado na medição de mudanças de temperatura quando um sistema absorve ou emite calor. O calorímetro é o equipamento que é usado em reações nas quais uma troca de calor está envolvida.

O que é conhecido como "xícara de café" é a forma mais simples desse tipo de dispositivo. Pelo seu uso, a quantidade de calor envolvida em reações realizadas a pressão constante em uma solução aquosa é medida. Um calorímetro tipo copo de café consiste em um recipiente de poliestireno, que é colocado em um béquer.

A água é colocada no recipiente de poliestireno, equipado com uma tampa do mesmo material que lhe confere um certo grau de isolamento térmico. Além disso, o recipiente possui um termômetro e um agitador mecânico.

Neste calorímetro, a quantidade de calor absorvida ou emitida é medida, dependendo se a reação é endotérmica ou exotérmica, quando uma reação ocorre em uma solução aquosa. O sistema a ser estudado é constituído pelos reagentes e pelos produtos.

Índice

• 1 O que você estuda?
• 2 Capacidade calórica de um calorímetro
  • 2.1 Exemplo do uso do calorímetro para calcular o calor específico
• 3 bomba calorimétrica
• 4 tipos de calorímetro
  • 4.1 Calorímetro de titulação isotérmica (ICT)
  • 4.2 Calorímetro diferencial de varredura
• 5 aplicações
  • 5.1 Usos da calorimetria de titulação isotérmica
  • 5.2 Usos da calorimetria exploratória diferencial
• 6 referências

Que estuda?

A calorimetria estuda a relação que tem a energia calorífica associada a uma reação química e como ela é usada para determinar suas variáveis. Suas aplicações nos campos de pesquisa justificam o alcance desses métodos.

Capacidade calórica de um calorímetro

Esta capacidade é calculada dividindo a quantidade de calor absorvida pelo calorímetro pela variação na temperatura. Esta variação é um produto do calor que é emitido em uma reação exotérmica, que é igual a:

Quantidade de calor absorvida pelo calorímetro + quantidade de calor absorvida pela solução

A variação pode ser determinada adicionando uma quantidade conhecida de calor medindo a mudança de temperatura. Para esta determinação da capacidade calórica, o ácido benzóico é usualmente utilizado, uma vez que seu calor de combustão é conhecido (3.227 kJ / mol).

A capacidade calórica também pode ser determinada pela adição de calor por uma corrente elétrica.

Exemplodo uso do calorímetro para calcular o calor específico

Uma barra de 95 g de metal é aquecida a 400 ºC, recebendo imediatamente um calorímetro com 500 g de água, inicialmente a 20 ºC. A temperatura final do sistema é de 24ºC. Calcule o calor específico do metal.

Δq = m x ce x Δt

Nesta expressão:

Δq = variação de carga.

m = massa.

ce = calor específico.

Δt = variação de temperatura.

O calor ganho pela água é igual ao calor liberado da barra de metal.

Este valor se assemelha ao de uma mesa de calor específica para prata (234 J / kg ºC).

Assim, uma das aplicações da calorimetria é a cooperação para a identificação de materiais.

Bomba Calorimétrica

Consiste em um recipiente de aço, conhecido como bomba, resistente às altas pressões que podem surgir durante as reações que ocorrem neste recipiente; Este recipiente está conectado a um circuito de ignição para iniciar as reações.

A bomba é imersa em um grande recipiente com água, cuja função é absorver o calor que é gerado na bomba durante as reações, fazendo com que a variação de temperatura seja pequena. O recipiente de água é equipado com um termômetro e um agitador mecânico.

As mudanças de energia são medidas praticamente em volume e temperatura constantes, portanto, não é feito nenhum trabalho sobre as reações que ocorrem na bomba.

ΔE = q

ΔE é a variação da energia interna na reação e q o calor gerado nela.

Tipos de calorímetro

Calorímetro de titulação isotérmica (CTI)

O calorímetro tem duas células: em uma a amostra é colocada e na outra, a de referência, geralmente é colocada água.

A diferença de temperatura que é gerada entre as células - devido à reação que ocorre na célula da amostra - é cancelada por um sistema de feedback que injeta calor para equalizar as temperaturas das células.

Este tipo de calorímetro permite acompanhar a interação entre as macromoléculas e seus ligantes.

Calorímetro de varredura diferencial

Este calorímetro tem duas células, o mesmo que o CTI, mas tem um dispositivo que permite determinar a temperatura e os fluxos de calor associados às mudanças de um material em função do tempo.

Essa técnica fornece informações sobre o dobramento de proteínas e ácidos nucléicos, bem como sua estabilização.

Aplicações

-A calorimetria permite determinar a troca de calor que ocorre em uma reação química, permitindo entender mais claramente o mecanismo disso.

-Com a determinação do calor específico de um material, a calorimetria fornece dados que auxiliam na sua identificação.

- Como há uma proporcionalidade direta entre a mudança de calor de uma reação e a concentração dos reagentes, juntamente com o fato de que a calorimetria não requer amostras claras, esta técnica pode ser usada para determinar a concentração de substâncias presentes em matrizes complexas.

-No campo da engenharia química, a calorimetria é utilizada no processo de segurança, bem como em diferentes campos do processo de otimização, reação química e na unidade de operação.

Usos da calorimetria de titulação isotérmica

-Colaborar no estabelecimento do mecanismo de ação enzimática, bem como sua cinética. Esta técnica pode medir as reações entre moléculas, determinando a afinidade de ligação, estequiometria, entalpia e entropia em solução sem a necessidade de marcadores.

-Avalia a interação de nanopartículas com proteínas e, em conjunto com outros métodos analíticos, é uma ferramenta importante para registrar as mudanças conformacionais das proteínas.

-Tem aplicação na conservação de alimentos e culturas.

-Com relação à conservação dos alimentos, você pode determinar a sua deterioração e tempo de vida nas prateleiras (atividade microbiológica). Você pode comparar a eficiência de diferentes métodos de conservação de alimentos, e você é capaz de determinar a dose ideal de conservantes, bem como a degradação no controle de embalagem.

-Com relação às hortaliças, você pode estudar a germinação da semente. Estando na água e na presença de oxigênio, eles liberam calor que pode ser medido com um calorímetro isotérmico. Ele examina a idade e armazenamento inadequado das sementes e estuda sua taxa de crescimento quando confrontado com variações de temperatura, pH ou diferentes produtos químicos.

-Por fim, pode medir a atividade biológica dos solos. Além disso, pode detectar doenças.

Usos da calorimetria exploratória diferencial

Em conjunção com calorimetria isotérmica, permitiu estudar a interação de proteínas com seus ligantes, a interação alostérica, o enrolamento de proteínas e o mecanismo de sua estabilização.

-O calor liberado ou absorvido durante um evento de ligação molecular pode ser medido diretamente.

-A calorimetria diferencial de varredura é uma ferramenta termodinâmica para o estabelecimento direto da captura de energia calórica que ocorre em uma amostra. Isso nos permite analisar os fatores que interferem na estabilidade da molécula de proteína.

-Ele também estuda a termodinâmica da transição de dobra de ácido nucleico. A técnica permite a determinação da estabilidade oxidativa do ácido linoléico isolado e acoplado a outros lipídios.

-A técnica é aplicada na quantificação de nano-sólidos farmacêuticos e na caracterização térmica de transportadores lipídicos nanoestruturados.

Referências

1. Whitten, K., Davis, R., Peck, M. e Stanley, G. Química. (2008). 8ª ed. Aprendizagem Cengage Editar.
2. Rehak, N. N. e Young, D. S. (1978). Aplicações prospectivas de calorimetria no laboratório clínico. Clin. Chem 24 (8): 1414-1419.
3. Stossel, F. (1997). Aplicações de calorimetria de reação em engenharia química. J. Therm. Anal 49 (3): 1677-1688.
4. Weber, P. C. e Salemme, F. R. (2003). Aplicações de métodos calorimétricos na descoberta de drogas e no estudo de interações protéicas. Curr. Opin. Struct. Biol 13 (1): 115-121.
5. Gill, P., Moghadem, T. e Ranjbar, B. (2010). Técnicas calorimétricas de varredura diferencial: aplicações em biologia e nanociência. J. Biol Tech.21 (4): 167-193.
6. Omanovic-Miklicanin, E., Manfield, I. e Wilkins, T. (2017). Aplicações da calorimetria de titulação isotérmica na avaliação de interações proteína-nanopartícula. J. Therm. Anal 127: 605-613.
7. Consórcio do Colégio da Comunidade para Credenciais de Biociência. (7 de julho de 2014). Calorímetro de xícara de café. [Figura] Retirado em 7 de junho de 2018, de: commons.wikimedia.org