Calorimetría diferencial de barrido para niños

La calorimetría de barrido diferencial (conocida como DSC, por sus siglas en inglés) es una técnica científica que mide la diferencia de calor entre una muestra que estamos estudiando y una muestra de referencia. Esta medición se hace mientras la temperatura de ambas va cambiando de forma controlada. Durante todo el experimento, la muestra y la referencia se mantienen casi a la misma temperatura.

¿Cómo funciona la DSC?

Un calorímetro de barrido diferencial por dentro.

Para hacer un análisis con DSC, la temperatura del lugar donde se colocan las muestras aumenta de manera constante con el tiempo. La muestra de referencia debe ser un material que se sabe cómo reacciona al calor en el rango de temperaturas que se va a usar.

El principio básico es que, si la muestra que estudiamos sufre un cambio físico, como cuando un hielo se derrite, necesitará absorber (o liberar) más o menos calor que la referencia para que ambas se mantengan a la misma temperatura. Si necesita más calor, es un proceso que absorbe energía (endotérmico). Si libera calor, es un proceso que libera energía (exotérmico).

Por ejemplo, cuando un sólido se derrite y se convierte en líquido, necesita absorber calor. Por eso, el aparato tiene que darle más calor a la muestra para que su temperatura suba al mismo ritmo que la referencia. En cambio, si la muestra se cristaliza (un proceso exotérmico), libera calor, y el aparato necesitará darle menos calor para mantener la temperatura.

Al medir esta diferencia en el flujo de calor, los equipos de DSC pueden saber cuánto calor se absorbe o se libera durante estos cambios. La DSC también puede detectar cambios más sutiles, como las transiciones vítreas. Es una herramienta muy útil en la industria para controlar la calidad, ya que ayuda a saber qué tan pura es una muestra o cómo se endurecen ciertos materiales como los polímeros.

Existe otra técnica similar llamada análisis térmico diferencial (DTA). En DTA, lo que se mantiene constante no es la temperatura, sino el flujo de calor. Cuando la muestra y la referencia se calientan igual, los cambios en la muestra causan una diferencia de temperatura entre ellas. Ambas técnicas dan información parecida, pero la DSC es más usada.

¿Qué nos muestran las curvas DSC?

El resultado de un experimento DSC es una gráfica que muestra el flujo de calor en función de la temperatura o del tiempo. Las reacciones que liberan calor (exotérmicas) pueden aparecer como picos hacia arriba o hacia abajo, dependiendo del tipo de equipo.

Los picos en una curva DSC se usan para calcular la cantidad de calor que se absorbe o se libera durante un cambio. Esto se hace midiendo el área debajo del pico. La cantidad de calor se calcula con una fórmula sencilla:

Aquí, ΔH es la cantidad de calor del cambio, K es una constante del equipo, y A es el área bajo el pico. La constante K es diferente para cada equipo y se determina analizando una muestra conocida.

Usos de la DSC

Estudio de materiales

La DSC se usa para medir varias características de los materiales. Con esta técnica, podemos estudiar procesos como:

• Fusión: Cuando un sólido se derrite.
• Cristalización: Cuando un líquido se vuelve sólido de forma ordenada.
• Temperaturas de transición vítrea (T_g): Cuando un material amorfo (sin estructura ordenada) se vuelve más blando al calentarse.

También se usa para investigar la oxidación y otras reacciones químicas.

Cuando un sólido amorfo se calienta, se vuelve menos espeso. En cierto punto, sus moléculas pueden moverse lo suficiente como para organizarse en una forma cristalina. Esto se llama temperatura de cristalización (T_c) y es un proceso que libera calor, por lo que aparece como un pico en la curva DSC. Si la temperatura sigue subiendo, la muestra finalmente se derrite en su temperatura de fusión (T_m), lo que se ve como un pico que absorbe calor. Poder determinar estas temperaturas y cantidades de calor hace que las curvas DSC sean muy útiles para crear mapas de fases de diferentes sistemas químicos.

Además, la DSC se usa mucho para estudiar polímeros (materiales plásticos), determinando sus temperaturas de transición vítrea, puntos de fusión y otras propiedades.

En los últimos años, esta tecnología también se ha usado para estudiar materiales metálicos. Aunque es un campo más nuevo, se sabe que la DSC puede ayudar a encontrar las temperaturas a las que una aleación metálica empieza a derretirse o a solidificarse. También es prometedora para estudiar cómo se forman pequeñas partículas en los metales o cómo cambian sus estructuras internas.

Estudio de cristales líquidos

La DSC también es útil para estudiar los cristales líquidos. Estos materiales son como un estado intermedio entre los sólidos y los líquidos, con propiedades de ambos. Usando la DSC, se pueden detectar los pequeños cambios de energía que ocurren cuando un material pasa de sólido a cristal líquido, y de cristal líquido a líquido normal.

Estabilidad de una muestra

Para saber qué tan estable es una muestra frente a la oxidación, la DSC usa una cámara especial que puede cambiar la atmósfera alrededor de la muestra. Primero, la muestra se calienta a una temperatura constante en una atmósfera sin oxígeno (generalmente nitrógeno). Luego, se introduce oxígeno. Cualquier oxidación que ocurra se detecta como un cambio en la línea base de la gráfica. Estos análisis ayudan a determinar la estabilidad de un compuesto y las mejores condiciones para guardarlo.

Industria farmacéutica

La DSC es muy importante en las industrias farmacéutica y de polímeros. Para los químicos de polímeros, es una herramienta común para estudiar cómo se endurecen los materiales, lo que permite ajustar sus propiedades. El proceso de endurecimiento de los polímeros libera calor y se ve como un pico en la curva DSC. En la industria farmacéutica, es crucial conocer bien los medicamentos para saber cómo procesarlos y cómo dosificarlos. Por ejemplo, si un medicamento debe administrarse en forma amorfa, es importante procesarlo a temperaturas por debajo de la que podría cristalizarse.

Investigación alimentaria

En la investigación de alimentos, la DSC se usa junto con otras técnicas para entender cómo se mueve el agua en los alimentos. Los cambios en la distribución del agua pueden estar relacionados con cambios en la textura. De manera similar a la ciencia de materiales, también se puede analizar el efecto del endurecimiento en los productos alimenticios.

Las curvas DSC también se usan para saber qué tan puros son los medicamentos y los polímeros. Esto es posible porque el rango de temperaturas en el que se derrite una mezcla de compuestos depende de sus cantidades. Este efecto se llama depresión del punto de congelación, que ocurre cuando se añade una sustancia extraña a una solución. Por ejemplo, el anticongelante en los coches baja el punto de congelación del agua para que no se congele en invierno. Por lo tanto, los compuestos menos puros se derretirán en un rango de temperaturas más amplio y a temperaturas más bajas que un compuesto puro.

Estudio de procesos biológicos

La calorimetría de barrido diferencial también se ha usado para entender cómo funcionan las rutas metabólicas en los seres vivos, para clasificar bacterias y hongos, y para estudiar la capacidad de algunos organismos de causar infecciones.

Ver también

• Calorimetría
• Calorimetría isoterma de titulación