Микрокалориметрические исследования позволяют обнаружить не менее поразительные вещи не только биологам, химикам, но и специалистам других областей знаний. Почти все химические, физические, и биологические процессы сопровождаются тепловыми эффектами - тепло либо выделяется, либо поглощается. Иногда этот эффект настолько мал, что оставляет ученого в неведении о самом существовании его, не говоря уже о количественных подсчетах.
Распад природных радиоактивных веществ, старение металлических сплавов, затвердевание цемента, адсорбция газов и паров на катализаторах, жизнедеятельность микроорганизмов, превращения, связанные с ДНК, действие лекарственных препаратов на вирусы - вот лишь несколько примеров процессов, которые сопровождаются малыми по абсолютной величине тепловыми эффектами.
Изучая тепловые явления в таких процессах, ученый может поставить, например, задачу определить общее количество теплоты, выделенное или поглощенное с начала, и до конца процесса. Эта величина необходима для термодинамических расчетов. Знание ее используется при суждении о прочности химических связей в молекулах различных веществ, в предсказании направления химической реакции, в расчетах химического равновесия. Оно необходимо также и в практических расчетах, например, при составлении тепловых балансов, при проектировании заводских установок.
Но часто ставится, и другая цель, дающая ключ к пониманию процесса, а именно - изучение тепловой мощности процесса, то есть количества теплоты, выделяемой или поглощаемой в каждую единицу времени (в секунду, минуту, час).
Изучение протекания процесса по изменению тепловой мощности во времени составляет задачу термокинетики.
В зависимости от цели исследования, от природы изучаемого объекта, от условий проведения эксперимента, от продолжительности процесса может быть выбран тот или иной из многочисленных микрокалориметрических методов.
Мы остановимся лишь на одном методе, который теперь весьма широко распространяется, как за рубежом, так и в Советском Союзе.
Это микрокалориметрический метод, разработанный в Марсельском университете.
Начало его было положено в 1923 году в лаборатории общей химии Марсельского университета профессором Альбером Тианом. Ученик, и последователь Тиана, профессор Эдуард Кальве в течение многих лет применял и совершенствовал приборы Тиана. И в настоящее время микрокалориметры Тиана - Кальве, прошедшие длительное испытание, и усовершенствования, позволяют надежно и точно измерять тепловые мощности при выделении от 0,1 до 1,0 калории в час в течение практически неограниченного времени, при этом абсолютные ошибки измерений составляют менее 0,001 калории в час, что составляет от 0,1 до 1 % от малой измеряемой величины.
КАК ЖЕ УСТРОЕН ЭТОТ ПРИБОР!
На цветной вкладке представлено вертикальное сечение современной рабочей модели дифференциального микрокалориметра Тиана - Кальве, предназначенного для работы при различных температурах - от комнатной до 200°С. С некоторыми изменениями в материалах подобная конструкция используется, и при более низких и при более высоких температурах.
Центральное место в приборе занимает массивный медный или алюминиевый блок диаметром 26 см, расположенный между двумя массивными конусами, изготовленными из того же металла, что, и блок. Усеченные верхушки конусов примыкают к толстостенному цилиндрическому экрану, который, в свою очередь, помещается внутри хорошо изолированного многооболочного термостата. Конусы создают вертикальную симметричную направленность потоков тепла, идущих со стороны термостата к блоку.
Собственно, калориметрические элементы расположены в полостях, высверленных симметрично в центральном блоке. Соединенные попарно элементы образуют дифференциальную систему. Они состоят из совершенно одинаковых неподвижных тонкостенных серебряных патрончиков высотой 70 - 80 мм, и диаметром 15 - 18 мм, в которые плотно вставляются стеклянные или металлические калориметрические пробирки с исследуемыми веществами. Один из калориметрических элементов - рабочий, в нем происходит изучаемый процесс, и в нем же, по желанию исследователя, компенсируются возникающие в нем тепловые эффекты. Другой калориметрический элемент - свидетель. В нем никакой реакции не происходит, его назначение - быть всегда при температуре блока, и обеспечить стабильность показаний до начала опыта, и в конце его, обеспечить стабильность так называемого экспериментального нуля прибора.
В пространстве между стенками серебряного патрона, и стенками соответствующей ему полости блока звездообразно расположены многоспайные термобатареи.
Сотни термопар плотно покрывают всю поверхность калориметрических элементов, оставляя свободным лишь отверстие для пробки. Тонкие листики слюды, изолирующие спаи термопар от стенок, не мешают теплопередаче.
Термопары сгруппированы в две равномерно распределенные серии, содержащие различное количество спаев.
Большая часть термоспаев служит для обнаружения разностей температур между рабочим калориметром, и калориметром-свидетелем; эти спаи входят в состав основной, так называемой детекторной термобатареи.
Другая, меньшая часть спаев входит в состав термобатарей, служащих для получения эффектов Пельтье.
При помощи ключа-коммутатора можно менять роли термобатарей, и соответственно менять, и чувствительность прибора.
Для калибровки прибора, и для компенсации отрицательного теплового эффекта в калориметрические элементы могут быть вмонтированы электрические нагреватели.
Детекторная термобатарея соединена с чувствительным зеркальным гальванометром. Во время опыта показания гальванометра (тэдс) автоматически регистрируются самописцем на ленте.
Микрокалориметр Тиана - Кальве обладает малой инерционностью, иначе говоря, гальванометр фиксирует тепловую мощность процесса фактически в данный момент. Малой инерционности прибора способствуют также размеры, и форма калориметрических сосудов.
Прибор, таким образом, выступает в роли термического осциллографа.
Микрокалориметры Тиана - Кальве называют теплопроводящими теплообмен в них служит основой измерений, и это составляет принципиальную особенность микрокалориметрии Тиана - Кальве. При постоянном тепловом режиме благодаря большому количеству термопар, по которым идет перенос теплоты, тэдс детекторной термобатареи оказывается строго пропорциональной тепловым потокам, исходящим от рабочего калориметра, независимо от распределения температур на его поверхности или внутри него. Коэффициент пропорциональности между тэдс и тепловыми потоками определяют экспериментально.
Изменения температуры в микрокалориметре Тиана - Кальве составляют сотые или тысячные доли градуса. Практически это изотермические калориметры. При компенсации тепловых эффектов эффектами Пельтье, и Джоуля приборы совершенно изотермичны.
По термограммам в координатах тэдс - время рассчитывается тепловая мощность процесса в зависимости от времени, а площадь, заключенная между этими кривыми, и осью времени, соответствует количеству теплоты, выделившейся в интервале времени между двумя определенными моментами.
Таким образом, микрокалориметр удовлетворяет запросам, и термодинамики, и термокинетики.
В области биологических наук микрокалориметрия Тиана - Кальве открыла колоссальные перспективы, дав начало новой пограничной науке - термобиологии. В Советском Союзе биологи по заслугам оценили новый в наших работах микрокалориметрический метод. На 2-м Всесоюзном биохимическом съезде, который происходил в Ташкенте в октябре 1969 года, было высказано пожелание о более широком развитии микрокалориметрии в различных биоэнергетических исследованиях. Президиум АН СССР в 1970 году присудил премию имени Тимирязева за работу «Энергетика дыхания высших растений в условиях водного дефицита», выполненную с применением микрокалориметрии, доктору биологических наук В. Н. Жолкевичу.
Можно привести много примеров того, как микрокалориметрия помогала исследователям установить истину. Приведем пример из области химии, ставший классическим. Речь идет об обратимой реакции этерификации уксусной кислотой этилового спирта.
Эта реакция протекает очень медленно, и для того, чтобы подсчитать ее тепловой эффект, пользовались привычными в таких случаях косвенными расчетами, беря за основу теплоту сгорания, и применяя закон Гесса. Тепловой эффект при этом оказывается равным минус 1 100 кал/моль; это означает, что реакция идет с поглощением теплоты. Достоверность результата весьма сомнительна слишком велика погрешность в расчетах, когда искомая величина представляет собой малую разность двух больших чисел.
Микрокалориметрия дает возможность измерить непосредственно теплоту медленных реакций. М. Беранже-Кальве, проводившая опыт, внесла ясность теплота реакции оказалась 1 000 кал/моль, но другого знака, то есть эта реакция этерификации идет не с поглощением, а с выделением теплоты. Полученный результат М. Беранже-Кальве подтвердила измерением теплового эффекта обратной реакции, реакции гидролиза этилацетата.
