Ķīmiķiem bieži jāzina, cik daudz siltuma enerģijas izdalās vai absorbē konkrētā reakcija. Šis mērījums palīdz viņiem vairāk saprast, kāpēc notiek reakcija, un palīdz viņiem sniegt noderīgas prognozes. Kalorimetri ir instrumenti, kas mēra siltuma daudzumu, ko reakcijas laikā atbrīvo vai absorbē saturs. Vienkāršu kalorimetru ir viegli izgatavot, taču laboratorijās izmantotie instrumenti parasti ir precīzāki.
TL; DR (pārāk ilgi; Nelasīju)
Kalorimetri ļauj izmērīt siltuma daudzumu reakcijā. To galvenie ierobežojumi ir siltuma zaudēšana videi un nevienmērīga apkure.
Kalorimetra funkcijas
Būtībā kalorimetrs mēra kalorimetra un tā satura temperatūras izmaiņas. Pēc kalorimetra kalibrēšanas ķīmiķim jau būs skaitlis, ko sauc par kalorimetra konstanti, kas parāda, cik daudz kalorimetra temperatūra mainās uz pievienoto siltuma daudzumu. Izmantojot šo informāciju un reaģentu masu, ķīmiķis var noteikt, cik daudz siltuma tiek atbrīvots vai absorbēts. Ir svarīgi, lai kalorimetrs samazinātu siltuma zudumu ātrumu ārpusē, jo strauji siltuma zudumi apkārtējā gaisā varētu izkropļot rezultātus.
Dažādi kalorimetru veidi
Vienkāršu kalorimetru ir viegli pagatavot pats. Jums nepieciešamas divas putupolistirola putas, termometrs vai vāks. Šis kafijas tases kalorimetrs ir pārsteidzoši uzticams un tādējādi ir kopīga ķīmijas laboratoriju īpašība. Fizikālās ķīmijas laboratorijās ir sarežģītāki instrumenti, piemēram, "bumbu kalorimetri". Šajās ierīcēs reaģenti atrodas noslēgtā kamerā, ko sauc par bumbu. Pēc tam, kad elektriskā dzirksts tos aizdedzina, temperatūras izmaiņas palīdz noteikt zaudēto vai iegūto siltumu.
Kalorimetra kalibrēšana
Lai kalibrētu kalorimetru, varat izmantot procesu, kas pārnes zināmu siltuma daudzumu, piemēram, karstā un aukstā ūdens temperatūras mērīšanu. Piemēram, kafijas tases kalorimetrā varat sajaukt aukstu un karstu ūdeni. Pēc tam jūs mēra temperatūru laika gaitā un izmantojat lineāro regresiju, lai aprēķinātu kalorimetra un tā satura "galīgo temperatūru". Atņemot aukstā ūdens iegūto siltumu no karstā ūdens zaudētā siltuma, iegūst siltumu, ko iegūst kalorimetrs. Dalot šo skaitli ar kalorimetra temperatūras izmaiņām, tiek iegūts tā kalorimetra konstants, kuru varat izmantot citos eksperimentos.
Kalorimetrijas ierobežojumi
Neviens kalorimetrs nav ideāls, jo tas var zaudēt siltumu apkārtnei. Lai gan laboratorijas bumbu kalorimetriem ir izolācija, lai samazinātu šos zaudējumus, nav iespējams apturēt visus siltuma zudumus. Turklāt kalorimetrā esošie reaģenti var nebūt labi sajaukti, kas izraisa nevienmērīgu sildīšanu un vēl vienu iespējamu kļūdu avotu jūsu mērījumos.
Papildus iespējamiem kļūdu avotiem vēl viens ierobežojums attiecas uz reakciju veidiem, kurus varat izpētīt. Piemēram, jūs varētu vēlēties uzzināt, kā TNT sadalīšanās izdala siltumu. Šāda veida reakciju nav iespējams izpētīt kafijas tases kalorimetrā, un tā, iespējams, pat nav praktiska bumbas kalorimetrā. Alternatīvi reakcija var notikt ļoti lēni, piemēram, dzelzs oksidēšana, veidojot rūsu. Šādu reakciju būtu ļoti grūti izpētīt ar kalorimetru.