CALORIMETRIA. Prof. Harley P. Martins Filho. Microcalorimetria isotérmica

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1 CLORIMETRI Prof. Harley P. Martins Filho Microcalorimetria isotérmica Uma de meio reacional é colocada em um banho termostatizado e o fluxo de calor entre e o banho é monitorado por um período de tempo. mostra é colocada em uma ampola selada que é introduzida em um módulo de medida com uma referência (peça de metal inerte). O módulo de medida fica mergulhado em um sumidouro de calor (bloco de alumínio em banho termostatizado). 1

2 Diferença de temperatura (da ordem de 0,001 C) entre ampola e referência é captada por um sensor entre os dois que gera uma diferença de potencial (efeito Peltier) proporcional à diferença de temperatura. O fluxo de calor para o banho resultante de uma diferença de temperatura para o banho (da ordem de W = Js -1 ) é uma função conhecida do aparelho. Processo acontece virtualmente isotermicamente. juste inicial de temperatura leva horas para uma perfeita estabilização. Introdução da ampola no módulo leva 40 minutos, para que qualquer diferença de temperatura em relação à referência seja devida só a processos acontecendo na ampola possível perda de informação de estágios iniciais de processos. Registro do fluxo de calor de um processo exotérmico que se inicia, acelera e termina. Integração do fluxo de calor (área sob a curva acima), mostrando o calor gerado acumulado com o tempo. Cinética do processo mostra um tempo de aceleração até a velocidade máxima em que o processo se mantém até se extinguir. 2

3 mpola selada (V constante) Determinação de E da reação. Reações típicas para análise: Hidratação de minerais e cimentos em ampola com solução de sal com pressão de vapor conhecida e separada de mineral. Degradação de formulações sólidas farmacêuticas em longos períodos de tempo. Metabolismo celular em culturas de células biológicas. Células de mamíferos tem taxa metabólica da ordem de W/célula enquanto o limite de detecção do aparelho é W Uma cultura de células gera um sinal já detectável. Calorimetria diferencial de varredura mostra é submetida a um aquecimento gradual junto com uma peça metálica de referência, através de duas resistências elétricas separadas. Temperatura em um tempo t em uma varredura linear: T = T 0 + t ( = /) onde é o parâmetro ajustável taxa de varredura (K s -1 ) 3

4 potência usada em cada resistência para manutenção da elevação estável da temperatura é monitorada com o tempo. Se não ocorre nenhum processo na, a potência necessária nos dois compartimentos é proporcional às capacidades caloríficas da e da referência. Em um dado tempo t necessário para uma variação : dq = C p e dq ref = C ref potência usada corresponde a um fluxo de calor, que é obtido dividindo-se as expressões acima por : P dq dq ref C p e Pref C ref Mas em uma varredura linear, / =. P = C p e P ref = C ref Há um excesso de potência constante para a para a manutenção de uma elevação de temperatura igual à da referência, proporcional à diferença entre as capacidades caloríficas. O resultado da medida é expresso como um gráfico da capacidade calorífica da relativa à da referência em função da temperatura: C rel = C p C ref = P / P ref / = (P P ref )/ = P rel / Na ausência de um processo, o gráfico C rel T inicia-se como uma reta horizontal. Se acontecer um processo endotérmico na, é necessário fornecer calor extra à para manter a mesma taxa de aumento de T: dq = C p + dq processo O calor extra é interpretado como devido a uma capacidade calorífica extra da : 4

5 dq = C p + C extra = (C p + C extra ) dq C C C C P p extra p extra gora a capacidade calorífica relativa inclui a capacidade calorífica do processo endotérmico: C rel = (C p + C extra ) C ref = C rel + C extra No gráfico C rel T, o valor de C rel vai aumentando, fazendo aparecer um pico endotérmico. Termograma da proteína ubiquitina em ph 2,45. Entre 45 e 75 C, a proteína sofre desnaturação endotérmica. Se a capacidade calorífica do material após o processo é mais alta que a do material original, linha de base constante do termograma sobe. Em qualquer T, a diferença da altura da curva para a linha de base original (C rel C rel ) dá o C extra que representa o processo: C rel C rel = [(C p + C extra ) C ref ] (C p C ref ) = C extra Como C p da varia ao longo da transformação, é necessário levar em conta a variação de C rel (linha de base) ao longo do pico. 5

6 Para a determinação da entalpia do processo precisamos integrar o calor envolvido no processo em todo o tempo que durou o pico: H dq processo T2 T1 C extra T2 T1 C rel C rel integração corresponde então à area sob o pico. Se o processo fosse exotérmico a potência fornecida à seria menor que a inicial, a potência relativa seria menor que a inicial e portanto C rel seria menor que C,rel : apareceria um pico exotérmico invertido. Reações típicas para análise nesta técnica: Transições de fase. Exemplo transição sólido al líquido (líquido anisotrópico fase mesomorfa) líquido normal (isotrópico) Polímeros: transições de fase de primeira ordem (alização, ão) e de segunda ordem (transição vítrea) Reações especiais em macromoléculas biológicas nálise de polímeros quecendo-se um polímero, a primeira transição que pode acontecer é a transição vítrea, que é de segunda ordem conforme a Classificação de Ehrenfest capacidade calorífica muda mas não há calor envolvido termograma apresenta um degrau. Próxima possível transição é a alização do polímero, quando as moléculas adquirem suficiente liberdade translacional para se arranjarem em forma alina. Processo exotérmico pico invertido no termograma. uma temperatura alta o polímero termina fundindo. Processo endotérmico pico positivo no termograma. 6

7 Determinação da alinidade de uma de polímero: Em um termograma completo da, a área do pico de alização é proporcional à quantidade de material não alizado no início e a área do pico de ão proporcional à quantidade total de material, mas a proporcionalidade não é a mesma. n e n Fração não alizada: não. f não. n não. Para f = 0, a mesma quantidade de material aliza e funde. H H f 1 fnão. 1 a n t t a Fração alizada: H 0 1 a H f H 1 H H a H 7