Calorimetria: o que você estuda e aplicações

A calorimetria é uma técnica que determina as mudanças do conteúdo calórico de um sistema relacionado com 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 usado nas 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. Ao usá-lo, a quantidade de calor envolvida nas reações realizadas a pressão constante em uma solução aquosa é medida. Um calorímetro de xícara de café consiste em um recipiente de poliestireno, que é colocado em um copo.

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

Nesse calorímetro, mede-se a quantidade de calor que é absorvido ou emitido, dependendo se a reação é endotérmica ou exotérmica, quando uma reação ocorre em uma solução aquosa. O sistema a ser estudado consiste em reagentes e produtos.

O que estuda a calorimetria?

A calorimetria estuda a relação da energia térmica associada a uma reação química e como é usada para determinar suas variáveis. Suas aplicações nos campos de pesquisa justificam o escopo desses métodos.

Capacidade calórica de um calorímetro

Essa capacidade é calculada dividindo a quantidade de calor absorvido pelo calorímetro, variando a temperatura. Essa variação é um produto do calor emitido em uma reação exotérmica, que é igual a:

Quantidade de calor absorvido pelo calorímetro + quantidade de calor absorvido 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 normalmente usado, 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.

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Exemplo de uso do calorímetro para calcular o calor específico

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

Δq = mx 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 pela barra de metal.

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Esse valor é semelhante ao mostrado em uma tabela de calor específica para prata (234 J / kg ° C).

Então, 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 nesse 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, diminuindo a variação de temperatura. O reservatório de água está equipado com um termômetro e um agitador mecânico.

As mudanças de energia são medidas praticamente em volume e temperatura constantes, de modo que nenhum trabalho é realizado 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 possui duas células: em uma a amostra é colocada e na outra, a referência, a água é geralmente colocada.

A diferença de temperatura que é gerada entre as células – devido à reação que ocorre na célula de amostra – é anulada por um sistema de feedback que injeta calor para igualar as temperaturas das células.

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

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Calorímetro diferencial de varredura

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

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

Aplicações

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

– Ao determinar o calor específico de um material, a calorimetria fornece dados que ajudam na sua identificação.

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

-No campo da engenharia química, a calorimetria é usada 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 em sua cinética. Essa técnica pode medir reações entre moléculas, determinando 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 o registro de alterações conformacionais nas proteínas.

-Tem aplicação em preservação de alimentos e lavouras.

-Quanto à preservação de alimentos, pode determinar sua deterioração e prazo de validade (atividade microbiológica). Ele 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 de embalagens.

-Quanto às culturas vegetais, você pode estudar a germinação das sementes. 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 inadequado das sementes e estude sua velocidade de crescimento diante de variações de temperatura, pH ou de diferentes produtos químicos.

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

Usos da calorimetria diferencial de varredura

– Juntamente com a calorimetria isotérmica, permitiu estudar a interação de proteínas com seus ligantes, a interação alostérica, o dobramento das proteínas e o mecanismo de sua estabilização.

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

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

-Estuda também a termodinâmica da transição da dobragem de ácidos nucleicos. A técnica permite a determinação da estabilidade oxidativa do ácido linoléico isolado e acoplado a outros lipídios.

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

Referências

  1. Whitten, K., Davis, R., Peck, M. e Stanley, G. Chemistry . (2008). 8th ed. Cengage Learning Edit.
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  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.
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