Calorimetria: o que estuda e aplicações - Ciência - 2023

Contente

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 das mudanças de temperatura quando um sistema absorve ou emite calor. O calorímetro é o equipamento 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 aparelho. Através da sua utilização, é medida a quantidade de calor envolvida nas reações realizadas a pressão constante em solução aquosa. Um calorímetro de xícara de café consiste em um recipiente de poliestireno, que é colocado em um copo.

A água é colocada no recipiente de poliestireno, dotado de 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.

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

O que a calorimetria estuda?

A calorimetria estuda a relação entre a energia térmica associada a uma reação química e como ela é usada para determinar suas variáveis. Suas aplicações em 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 mudança de temperatura. Essa variação é o 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 na temperatura. Para esta determinação da capacidade calórica, normalmente é utilizado o ácido benzóico, pois seu calor de combustão (3.227 kJ / mol) é conhecido.

A capacidade calórica também pode ser determinada adicionando calor por meio de uma corrente elétrica.

Exemplode usar o calorímetro para calcular o calor específico

Uma barra de 95 g de um metal é aquecida a 400 ºC, levando-se imediatamente a um calorímetro com 500 g de água, inicialmente a 20 ºC. A temperatura final do sistema é de 24 ºC. 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 obtido pela água é igual ao calor liberado pela barra de metal.

Este valor é semelhante ao que aparece em uma tabela do calor específico para prata (234 J / kg ºC).

Portanto, 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 é 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, tornando pequena a variação de temperatura. O reservatório de água está equipado com um termômetro e um agitador mecânico.

As mudanças de energia são medidas em volume e temperatura virtualmente constantes, então nenhum trabalho é feito nas reações que ocorrem na bomba.

ΔE = q

ΔE é a variação da energia interna na reação eq o calor gerado na mesma.

Tipos de calorímetro

Calorímetro de titulação isotérmica (CTI)

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

A diferença de temperatura gerada entre as células - devido à reação que ocorre na célula de 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 macromoléculas e seus ligantes.

Calorímetro diferencial de varredura

Esse calorímetro possui duas células, como o CTI, mas possui um dispositivo que permite que a temperatura e os fluxos de calor associados às variações de um material sejam determinados em função do tempo.

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

Formulários

-A calorimetria permite determinar a troca de calor que ocorre em uma reação química, permitindo assim uma compreensão mais clara do seu mecanismo.

-Ao determinar o calor específico de um material, a calorimetria fornece dados que ajudam a identificá-lo.

-Como existe uma proporcionalidade direta entre a mudança de calor de uma reação e a concentração dos reagentes, aliada ao fato de que a calorimetria não requer amostras claras, esta técnica pode ser utilizada 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 operacional.

Usos de calorimetria de titulação isotérmica

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

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

-Tem aplicação na preservação de alimentos e culturas.

- Quanto à preservação de alimentos, pode determinar sua deterioração e prazo de validade (atividade microbiológica). Pode comparar a eficiência de diferentes métodos de preservação de alimentos, e é capaz de determinar a dose ideal de conservantes, bem como a degradação no controle da embalagem.

- Quanto 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. Examine a idade e o armazenamento incorreto das sementes e estude sua taxa de crescimento diante das variações de temperatura, pH ou diferentes produtos químicos.

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

Usos da Calorimetria de Varredura Diferencial

-Junto com a calorimetria isotérmica, tornou possível estudar a interação das proteínas com seus ligantes, a interação alostérica, o enovelamento das proteínas e o mecanismo de sua estabilização.

-Você pode medir diretamente o calor que é liberado ou absorvido durante um evento de ligação molecular.

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

-Estuda também a termodinâmica da transição do dobramento dos ácidos nucléicos. A técnica permite a determinação da estabilidade oxidativa do ácido linoléico isolado e acoplado a outros lipídeos.

-A técnica é aplicada na quantificação de nanossólidos para uso farmacêutico e na caracterização térmica de transportadores lipídicos nanoestruturados.

Referências

Whitten, K., Davis, R., Peck, M. e Stanley, G. Química. (2008). 8ª ed. Edição do Cengage Learning.
Rehak, N. N. e Young, D. S. (1978). Aplicações prospectivas da calorimetria no laboratório clínico. Clin. Chem. 24 (8): 1414-1419.
Stossel, F. (1997). Aplicações da calorimetria de reação em engenharia química. J. Therm. Anal. 49 (3): 1677-1688.
Weber, P. C. e Salemme, F. R. (2003). Aplicações de métodos calorimétricos para descoberta de drogas e o estudo de interações de proteínas. Curr. Opin. Struct. Biol. 13 (1): 115-121.
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.
Omanovic-Miklicanin, E., Manfield, I. e Wilkins, T. (2017). Aplicações da calorimetria de titulação isotérmica na avaliação das interações proteína-nanopartícula. J. Therm. Anal. 127: 605-613.
Consórcio de faculdades comunitárias para credenciais de biociências. (7 de julho de 2014). Calorímetro de xícara de café. [Figura]. Obtido em 7 de junho de 2018, em: commons.wikimedia.org