Mikä on kalorimetri ja mitkä ovat sen rajoitukset?

Kemistien on usein tiedettävä, kuinka paljon lämpöenergiaa tietty reaktio vapauttaa tai absorboi. Tämä mittaus auttaa heitä ymmärtämään enemmän siitä, miksi reaktio tapahtuu, ja auttaa heitä tekemään hyödyllisiä ennusteita. Kalorimetrit ovat instrumentteja, jotka mittaavat sisällön reaktion aikana vapauttaman tai absorboiman lämmön määrän. Yksinkertaisen kalorimetrin tekeminen on helppoa, mutta laboratorioissa käytetyt instrumentit ovat tyypillisesti tarkempia.

TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)

Kalorimetrien avulla voit mitata reaktion lämmön määrää. Niiden tärkeimmät rajoitukset ovat lämmön menettäminen ympäristöön ja epätasainen lämmitys.

Pohjimmiltaan kalorimetri mittaa kalorimetrin ja sen sisällön lämpötilan muutosta. Kalorimetrin kalibroinnin jälkeen kemialla on jo numero, jota kutsutaan kalorimetrin vakiona, joka osoittaa, kuinka paljon kalorimetrin lämpötila muuttuu lisättyä lämpömäärää kohti. Tätä tietoa ja reaktanttien massaa käyttäen kemisti voi määrittää, kuinka paljon lämpöä vapautuu tai absorboituu. On tärkeää, että kalorimetri minimoi lämmön menetysnopeuden ulkopuolelle, koska nopea lämpöhäviö ympäröivään ilmaan vääristää tuloksia.

Yksinkertaisen kalorimetrin tekeminen on helppoa itse. Tarvitset kaksi styroksi-kahvikuppia, lämpömittarin tai kannen. Tämä kahvikupin kalorimetri on yllättävän luotettava ja on siten yhteinen piirre perustutkinnon suorittaneille kemian laboratorioille. Fyysisen kemian laboratorioissa on kehittyneempiä laitteita, kuten "pommien kalorimetrit". Näissä laitteissa reagoivat aineet ovat suljetussa kammiossa, jota kutsutaan pommiksi. Kun sähkökipinä sytyttää ne, lämpötilan muutos auttaa määrittämään menetetyn tai saadun lämmön.

Kalorimittarin kalibroimiseksi voit käyttää prosessia, joka siirtää tunnetun lämpömäärän, kuten mittaamalla jonkin kylmän ja lämpimän veden lämpötilaa. Voit esimerkiksi sekoittaa kylmää ja kuumaa vettä kahvikupin kalorimetriisi. Seuraavaksi mitataan lämpötila ajan mittaan ja lasketaan kalorimetrin ja sen sisällön "lopullinen lämpötila" lineaarisella regressiolla. Vähentämällä kylmän veden tuottama lämpö kuuman veden menettämästä lämmöstä saadaan kalorimetrin tuottama lämpö. Jakamalla tämä luku kalorimetrin lämpötilan muutoksella saadaan sen kalorimetrin vakio, jota voit käyttää muissa kokeissa.

Mikään kalorimetri ei ole täydellinen, koska se voi menettää lämpöä ympäristöönsä. Vaikka laboratorioiden pommien kalorimetreissä on eristys näiden menetysten minimoimiseksi, kaikkia lämpöhäviöitä on mahdotonta pysäyttää. Lisäksi kalorimetrin reagoivat aineet eivät välttämättä ole hyvin sekoittuneet, mikä johtaa epätasaiseen lämmitykseen ja toiseen mahdolliseen virhelähteeseen mittauksissa.

Mahdollisten virhelähteiden lisäksi toinen rajoitus sisältää erilaisia ​​reaktioita, joita voit tutkia. Voit esimerkiksi tietää, miten TNT: n hajoaminen vapauttaa lämpöä. Tällaista reaktiota olisi mahdotonta tutkia kahvikupin kalorimetrillä, eikä se ehkä edes ole käytännöllistä pommikylimetrillä. Vaihtoehtoisesti reaktio voi tapahtua hyvin hitaasti, kuten raudan hapettuminen ruosteen muodostamiseksi. Tällaista reaktiota olisi erittäin vaikea tutkia kalorimetrillä.