I chimici spesso hanno bisogno di sapere quanta energia termica rilascia o assorbe una particolare reazione. Questa misurazione li aiuta a capire meglio il motivo per cui si verifica la reazione e li aiuta a fare previsioni utili. I calorimetri sono strumenti che misurano la quantità di calore rilasciato o assorbito dal contenuto durante una reazione. È facile realizzare un semplice calorimetro, ma gli strumenti utilizzati nei laboratori sono in genere più precisi.
TL; DR (troppo lungo; non ho letto)
I calorimetri consentono di misurare la quantità di calore in una reazione. I loro principali limiti sono la dispersione di calore nell'ambiente e il riscaldamento non uniforme.
Le funzioni di un calorimetro
Fondamentalmente, un calorimetro misura la variazione di temperatura del calorimetro e del suo contenuto. Dopo la calibrazione del calorimetro, il chimico avrà già un numero chiamato costante del calorimetro, che mostra quanto cambia la temperatura del calorimetro per la quantità di calore aggiunta. Usando queste informazioni e la massa dei reagenti, il chimico può determinare quanto calore viene rilasciato o assorbito. È importante che il calorimetro minimizzi il tasso di perdita di calore verso l'esterno, poiché una rapida perdita di calore verso l'aria circostante distorcerebbe i risultati.
Diversi tipi di calorimetri
È facile creare da soli un semplice calorimetro. Hai bisogno di due tazze da caffè in polistirolo, un termometro o un coperchio. Questo calorimetro a tazza di caffè è sorprendentemente affidabile ed è quindi una caratteristica comune dei laboratori di chimica universitari. I laboratori di chimica fisica hanno strumenti più sofisticati come i "calorimetri bomba". In questi dispositivi, i reagenti si trovano in una camera sigillata chiamata bomba. Dopo che una scintilla elettrica li accende, il cambiamento di temperatura aiuta a determinare il calore perso o guadagnato.
Taratura di un calorimetro
Per calibrare un calorimetro, puoi usare un processo che trasferisce una quantità nota di calore come misurare la temperatura di un po' di acqua calda e fredda. Ad esempio, puoi mescolare acqua fredda e calda nel calorimetro della tazzina da caffè. Successivamente, si misura la temperatura nel tempo e si utilizza la regressione lineare per calcolare la "temperatura finale" del calorimetro e del suo contenuto. Sottraendo il calore guadagnato dall'acqua fredda dal calore perso dall'acqua calda si ottiene il calore guadagnato dal calorimetro. Dividendo questa cifra per la variazione di temperatura del calorimetro si ottiene la sua costante calorimetrica, che puoi usare in altri esperimenti.
Limiti della calorimetria
Nessun calorimetro è perfetto perché può cedere calore all'ambiente circostante. Sebbene i calorimetri a bomba nei laboratori abbiano un isolamento per ridurre al minimo queste perdite, è impossibile fermare tutte le perdite di calore. Inoltre, i reagenti nel calorimetro potrebbero non essere ben miscelati, il che porta a un riscaldamento non uniforme e un'altra possibile fonte di errore nelle misurazioni.
A parte le possibili fonti di errore, un'altra limitazione riguarda i tipi di reazioni che puoi studiare. Ad esempio, potresti voler sapere come la decomposizione del TNT rilascia calore. Questo tipo di reazione sarebbe impossibile da studiare in un calorimetro a tazza di caffè e potrebbe anche non essere pratico in un calorimetro a bomba. In alternativa, può avvenire una reazione molto lenta come l'ossidazione del ferro per formare ruggine. Questo tipo di reazione sarebbe molto difficile da studiare con un calorimetro.