Chemici často potřebují vědět, kolik tepelné energie konkrétní reakce uvolní nebo absorbuje. Toto měření jim pomáhá lépe pochopit, proč k reakci dochází, a pomáhá jim vytvářet užitečné předpovědi. Kalorimetry jsou přístroje, které měří množství tepla uvolněného nebo absorbovaného obsahem během reakce. Je snadné vytvořit jednoduchý kalorimetr, ale nástroje používané v laboratořích jsou obvykle přesnější.
TL; DR (příliš dlouhý; Nečetl)
Kalorimetry umožňují měřit množství tepla v reakci. Jejich hlavním omezením je ztráta tepla do životního prostředí a nerovnoměrné vytápění.
Funkce kalorimetru
Kalorimetr v zásadě měří změnu teploty kalorimetru a jeho obsahu. Po kalibraci kalorimetru bude mít chemik již číslo zvané konstanta kalorimetru, které ukazuje, jak moc se teplota kalorimetru mění na množství přidaného tepla. Pomocí této informace a hmotnosti reaktantů může chemik určit, kolik tepla se uvolní nebo absorbuje. Je důležité, aby kalorimetr minimalizoval rychlost tepelných ztrát směrem ven, protože rychlé tepelné ztráty do okolního vzduchu by výsledky zkreslily.
Různé typy kalorimetrů
Je snadné udělat si jednoduchý kalorimetr sami. Potřebujete dva šálky na kávu z polystyrenu, teploměr nebo víko. Tento kalorimetr na kávové šálky je překvapivě spolehlivý a je tedy společným rysem vysokoškolských laboratoří chemie. Laboratoře fyzikální chemie mají sofistikovanější přístroje, jako jsou „bombové kalorimetry“. V těchto zařízeních jsou reaktanty v uzavřené komoře zvané bomba. Poté, co je zapálí elektrická jiskra, pomůže změna teploty určit ztracené nebo získané teplo.
Kalibrace kalorimetru
Ke kalibraci kalorimetru můžete použít proces, který přenáší známé množství tepla, jako je měření teploty teplé a studené vody. Například můžete v kalorimetru na šálek kávy míchat studenou a horkou vodu. Dále změříte teplotu v čase a pomocí lineární regrese vypočítáte „konečnou teplotu“ kalorimetru a jeho obsahu. Odečtením tepla získaného studenou vodou od tepla ztraceného horkou vodou se získá teplo získané kalorimetrem. Vydělením tohoto čísla změnou teploty kalorimetru získáte jeho kalorimetrickou konstantu, kterou můžete použít v jiných experimentech.
Omezení kalorimetrie
Žádný kalorimetr není dokonalý, protože může ztrácet teplo pro své okolí. Přestože bombové kalorimetry v laboratořích mají izolaci, která tyto ztráty minimalizuje, je nemožné zastavit všechny tepelné ztráty. Reaktanty v kalorimetru navíc nemusí být dobře promíchány, což vede k nerovnoměrnému zahřívání a dalšímu možnému zdroji chyb ve vašich měřeních.
Kromě možných zdrojů chyb zahrnuje další omezení druhy reakcí, které můžete studovat. Možná budete například chtít vědět, jak rozklad TNT uvolňuje teplo. Tento druh reakce by bylo nemožné studovat v kalorimetru šálku kávy a nemusel by být praktický ani v bombovém kalorimetru. Alternativně může reakce probíhat velmi pomalu, jako je oxidace železa za vzniku rzi. Tento druh reakce by bylo velmi obtížné studovat pomocí kalorimetru.
