Chemiker müssen oft wissen, wie viel Wärmeenergie eine bestimmte Reaktion freisetzt oder absorbiert. Diese Messung hilft ihnen, mehr darüber zu verstehen, warum die Reaktion auftritt, und hilft ihnen, nützliche Vorhersagen zu treffen. Kalorimeter sind Instrumente, die die Wärmemenge messen, die der Inhalt während einer Reaktion freisetzt oder absorbiert. Es ist einfach, ein einfaches Kalorimeter herzustellen, aber die in Laboren verwendeten Instrumente sind in der Regel präziser.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Mit Kalorimetern können Sie die Wärmemenge einer Reaktion messen. Ihre Hauptbeschränkungen sind Wärmeabgabe an die Umgebung und ungleichmäßige Erwärmung.
Die Funktionen eines Kalorimeters
Grundsätzlich misst ein Kalorimeter die Temperaturänderung des Kalorimeters und seines Inhalts. Nach der Kalorimeterkalibrierung hat der Chemiker bereits eine Zahl namens Kalorimeterkonstante, die anzeigt, wie stark sich die Temperatur des Kalorimeters pro zugeführter Wärmemenge ändert. Anhand dieser Informationen und der Masse der Reaktanten kann der Chemiker bestimmen, wie viel Wärme freigesetzt oder aufgenommen wird. Es ist wichtig, dass das Kalorimeter den Wärmeverlust nach außen minimiert, da ein schneller Wärmeverlust an die Umgebungsluft die Ergebnisse verfälschen würde.
Verschiedene Arten von Kalorimetern
Es ist ganz einfach, ein einfaches Kalorimeter selbst herzustellen. Sie benötigen zwei Styropor-Kaffeetassen, ein Thermometer oder einen Deckel. Dieses Kaffeetassenkalorimeter ist überraschend zuverlässig und daher ein gemeinsames Merkmal von Chemielabors. Laboratorien für physikalische Chemie verfügen über anspruchsvollere Instrumente wie "Bombenkalorimeter". In diesen Geräten befinden sich die Reaktanten in einer abgedichteten Kammer, der sogenannten Bombe. Nachdem ein elektrischer Funke sie entzündet hat, hilft die Temperaturänderung dabei, die verlorene oder gewonnene Wärme zu bestimmen.
Kalibrierung eines Kalorimeters
Um ein Kalorimeter zu kalibrieren, können Sie ein Verfahren verwenden, das eine bekannte Wärmemenge überträgt, z. B. die Temperatur von heißem und kaltem Wasser messen. Sie können zum Beispiel kaltes und heißes Wasser in Ihrem Kaffeetassenkalorimeter mischen. Als nächstes misst man die Temperatur über die Zeit und berechnet mittels linearer Regression die „Endtemperatur“ des Kalorimeters und seines Inhalts. Zieht man die vom Kaltwasser gewonnene Wärme von der vom Warmwasser verlorenen Wärme ab, erhält man die vom Kalorimeter gewonnene Wärme. Wenn Sie diese Zahl durch die Temperaturänderung des Kalorimeters teilen, erhalten Sie seine Kalorimeterkonstante, die Sie in anderen Experimenten verwenden können.
Einschränkungen der Kalorimetrie
Kein Kalorimeter ist perfekt, weil es Wärme an seine Umgebung abgeben kann. Obwohl Bombenkalorimeter in Labors über eine Isolierung verfügen, um diese Verluste zu minimieren, ist es unmöglich, alle Wärmeverluste zu stoppen. Außerdem sind die Reaktanten im Kalorimeter möglicherweise nicht gut gemischt, was zu einer ungleichmäßigen Erwärmung und einer weiteren möglichen Fehlerquelle bei Ihren Messungen führt.
Abgesehen von möglichen Fehlerquellen besteht eine weitere Einschränkung in der Art der Reaktionen, die Sie untersuchen können. Sie möchten beispielsweise wissen, wie bei der Zersetzung von TNT Wärme freigesetzt wird. Diese Art von Reaktion wäre in einem Kaffeetassenkalorimeter unmöglich zu untersuchen und könnte in einem Bombenkalorimeter nicht einmal praktikabel sein. Alternativ kann eine Reaktion sehr langsam ablaufen, wie die Oxidation von Eisen, um Rost zu bilden. Diese Art von Reaktion wäre mit einem Kalorimeter sehr schwer zu untersuchen.