Hoe een calorische waarde te berekenen

Heb je je ooit afgevraagd waar de informatie over calorieën op voedseletiketten vandaan komt? Hoe is het mogelijk om te weten hoeveel energie voedsel zal leveren zonder het pad van de mond naar welke cellen dan ook te bestuderen? het consumeren van de glucosemoleculen die worden gegenereerd uit de koolhydraten, vetten en eiwitten die de (niet-water) porties van voedsel vormen eten?

Het caloriegehalte, of de calorische waarde, van een stof is de hoeveelheid energie die vrijkomt wanneer de stof volledig wordt "verbrand" of volledige verbranding ondergaat. Verbranding is een van de vijf basistypen chemische reacties en vindt altijd plaats in aanwezigheid van zuurstofgas (O₂), waarbij de andere reactant een soort (meestal op koolstof gebaseerde) brandstof is.

• De calorische waarde van een stof wordt meestal per hoeveelheid gegeven, dat wil zeggen per mol (m) verbrande stof.

Eerst wat terminologie. EEN calorie (cal) is de hoeveelheid warmte (energie) die nodig is om de temperatuur van 1 g (gram) water met 1 graad Celsius (°C) te verhogen. De "calorieën" op voedingsetiketten zijn eigenlijk kilocalorieën of kcal (1.000 cal). In de scheikunde is de standaardeenheid van energie de joule (J), gelijk aan 4,18 cal. Dus 1 voedsel "calorie" is gelijk aan (1.000)(4.18) J = 4.18 kJ.

De energie-inhoud van voedsel wordt gemeten door een bekende massa van een specifieke stof (bijv. ethanol, een aminozuur, glucose) in een apparaat genaamd a bom calorimeter en het meten van de hoeveelheid warmte die vrijkomt wanneer de reactie voltooid is. Dit wordt bereikt door de temperatuurverandering van een bekende watermassa in de afgesloten calorimeter te meten.

Deze deelwetenschap, genaamd calorimetrie, maakt een theoretische berekening van de calorische waarde mogelijk. Het hangt ervan af te weten hoe een bepaalde energie-input een bekende hoeveelheid water verandert. In feite is deze hoeveelheid, genaamd de soortelijke warmte van water, is al enige tijd bekend en wordt hieronder toegelicht. (Andere stoffen hebben hun eigen specifieke warmte voor gebruik in verschillende scheikundige situaties.)

De formule voor de verbrandingswarmte (of verbrandingsenthalpie) is een vergelijking:

H = m_C_ΔT

Hier is H de warmte die vrijkomt bij verbranding, m is de massa in grammen van het water dat als warmtecollector wordt gebruikt, C is de soortelijke warmte van water (4,184 J/g⋅°C), en ΔT is de temperatuurverandering in °C.

De calorische waardeformule ziet er vaak anders uit, omdat H en C vaak worden voorgesteld door een ander symbool. Zolang de eenheden allemaal op één lijn liggen, zodat u energie-eenheden overhoudt (bij voorkeur J), maakt de precieze calorische waardeformule die u gebruikt niet uit.

Een monster van 15,5 gram ethanol, C₂H₆O (de alcohol in "dranken voor volwassenen") wordt verbrand in 2.000 g H₂O (2 liter bij kamertemperatuur). Dit resulteert in een temperatuurverandering van 55 °C. Wat is de molaire verbrandingswarmte (verbrandingswarmte per mol) van ethanol? Raadpleeg een periodiek systeem (zie de bronnen) voor molecuulgewichten van elementen.

Gebruik eerst een periodiek systeem om het aantal aanwezige mol ethanol te berekenen. 1 mol bevat twee C-atomen (molecuulgewicht of MW van 12,0 g; zes H-atomen (MW = 1,07 g); en één zuurstofatoom (MW = 16,0 g). Dus 1 mol = (2)(12) + (6)(1) + 16 = 46,0 g. Je hebt 15,5 g, dus je hebt 15,5/46,0 = 0,336 mol.

Raadpleeg nu de bovenstaande vergelijking om de energie te berekenen die vrijkomt uit de massa m, de bekende waarde van C, en de temperatuurverandering ΔT van het water:

H = (2.000 g)(4.184 J/g⋅°C)(55 °C) = 460.240 J = 460.24 kJ

Deel nu door het aantal aanwezige mol om de molaire verbrandingswarmte van ethanol te krijgen:

(460,24 kJ)/(0,336 mol) = 1.369 kJ/mol.

Dit is een aanzienlijk aantal, wat je zou verwachten van iets dat kan worden gebruikt om auto's aan te drijven.