Kemičari često trebaju znati koliko toplinske energije određena reakcija oslobađa ili apsorbira. Ovo mjerenje pomaže im da bolje razumiju zašto se reakcija događa i pomaže im u korisnim predviđanjima. Kalorimetri su instrumenti koji mjere količinu topline koja se tijekom reakcije oslobađa ili apsorbira. Jednostavno je izraditi jednostavan kalorimetar, ali instrumenti koji se koriste u laboratorijima obično su precizniji.
TL; DR (predugo; Nisam pročitao)
Kalorimetri vam omogućuju mjerenje količine topline u reakciji. Njihova su glavna ograničenja gubitak topline u okolišu i nejednako zagrijavanje.
Funkcije kalorimetra
U osnovi, kalorimetar mjeri promjenu temperature kalorimetra i njegovog sadržaja. Nakon kalibracije kalorimetra, kemičar će već imati broj koji se naziva kalorimetarska konstanta, koji pokazuje koliko se temperatura kalorimetra mijenja po količini dodane topline. Koristeći ove podatke i masu reaktanata, kemičar može odrediti koliko se topline oslobađa ili apsorbira. Važno je da kalorimetar minimalizira stopu gubitka topline prema van, jer bi brzi gubici topline u okolnom zraku iskrivili rezultate.
Različite vrste kalorimetara
Jednostavno je sami napraviti jednostavni kalorimetar. Potrebne su vam dvije šalice za kavu od stiropora, termometar ili poklopac. Ovaj kalorimetar u šalici kave iznenađujuće je pouzdan i stoga je uobičajena značajka dodiplomskih kemijskih laboratorija. Laboratoriji za fizikalnu kemiju imaju sofisticiranije instrumente poput "kalorimetra bombe". U tim uređajima reaktanti se nalaze u zatvorenoj komori koja se naziva bomba. Nakon što ih zapali električna iskra, promjena temperature pomaže u određivanju izgubljene ili stečene topline.
Kalibracija kalorimetra
Da biste kalibrirali kalorimetar, možete koristiti postupak koji prenosi poznatu količinu topline, poput mjerenja temperature neke vruće i hladne vode. Na primjer, u kalorimetru šalice za kavu možete miješati hladnu i vruću vodu. Zatim izmjerite temperaturu tijekom vremena i linearnom regresijom izračunate "konačnu temperaturu" kalorimetra i njegovog sadržaja. Oduzimanjem topline dobivene hladnom vodom od topline izgubljene vrućom vodom dobiva se toplina dobivena kalorimetrom. Dijeljenjem ove brojke s promjenom temperature kalorimetra dobiva se njegova kalorimetarska konstanta, koju možete koristiti u drugim eksperimentima.
Ograničenja kalorimetrije
Nijedan kalorimetar nije savršen jer može izgubiti toplinu u svojoj okolini. Iako kalorimetri bombe u laboratorijima imaju izolaciju kako bi umanjili te gubitke, nemoguće je zaustaviti sve gubitke topline. Štoviše, reaktanti u kalorimetru možda se neće dobro pomiješati, što dovodi do neravnomjernog zagrijavanja i drugog mogućeg izvora pogreške u mjerenjima.
Osim mogućih izvora pogrešaka, drugo ograničenje uključuje vrste reakcija koje možete proučavati. Na primjer, možda ćete htjeti znati kako razgradnjom TNT-a oslobađa se toplina. Ovakvu reakciju bilo bi nemoguće proučiti u kalorimetru sa šalicom za kavu, a možda čak i ne bi bila praktična u kalorimetru s bombom. Alternativno, reakcija se može odvijati vrlo sporo, poput oksidacije željeza da nastane hrđa. Ovakvu reakciju bilo bi vrlo teško proučiti kalorimetrom.