Chemici moeten vaak weten hoeveel warmte-energie een bepaalde reactie afgeeft of absorbeert. Deze meting helpt hen meer te begrijpen over waarom de reactie plaatsvindt en helpt hen nuttige voorspellingen te doen. Calorimeters zijn instrumenten die de hoeveelheid warmte meten die vrijkomt of wordt opgenomen door de inhoud tijdens een reactie. Het is gemakkelijk om een eenvoudige calorimeter te maken, maar de instrumenten die in laboratoria worden gebruikt, zijn meestal nauwkeuriger.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Met calorimeters kun je de hoeveelheid warmte in een reactie meten. Hun belangrijkste beperkingen zijn warmteverlies aan de omgeving en ongelijkmatige verwarming.
De functies van een calorimeter
Kortom, een calorimeter meet de verandering in temperatuur van de calorimeter en de inhoud ervan. Na de calorimeterkalibratie heeft de chemicus al een getal genaamd de calorimeterconstante, die aangeeft hoeveel de temperatuur van de calorimeter verandert per hoeveelheid toegevoegde warmte. Aan de hand van deze informatie en de massa van de reactanten kan de chemicus bepalen hoeveel warmte er vrijkomt of wordt opgenomen. Het is belangrijk dat de calorimeter de snelheid van warmteverlies naar buiten minimaliseert, omdat snel warmteverlies naar de omringende lucht de resultaten zou vertekenen.
Verschillende soorten calorimeters
Het is gemakkelijk om zelf een eenvoudige calorimeter te maken. Je hebt twee piepschuim koffiekopjes, een thermometer of een deksel nodig. Deze calorimeter voor koffiekopjes is verrassend betrouwbaar en is dus een veelvoorkomend kenmerk van niet-gegradueerde scheikundelaboratoria. Laboratoria voor fysische chemie hebben meer geavanceerde instrumenten zoals 'bomcalorimeters'. In deze apparaten bevinden de reactanten zich in een afgesloten kamer die de bom wordt genoemd. Nadat een elektrische vonk ze heeft ontstoken, helpt de verandering in temperatuur bij het bepalen van de verloren of gewonnen warmte.
Kalibratie van een calorimeter
Om een calorimeter te kalibreren, kunt u een proces gebruiken dat een bekende hoeveelheid warmte overdraagt, zoals het meten van de temperatuur van warm en koud water. U kunt bijvoorbeeld koud en warm water mengen in uw calorimeter voor koffiekopjes. Vervolgens meet u de temperatuur in de tijd en gebruikt u lineaire regressie om de "eindtemperatuur" van de calorimeter en de inhoud ervan te berekenen. Door de warmte gewonnen door het koude water af te trekken van de warmte die verloren gaat door het warme water, wordt de warmte verkregen door de calorimeter. Als je dit getal deelt door de temperatuurverandering van de calorimeter, krijg je de calorimeterconstante, die je in andere experimenten kunt gebruiken.
Beperkingen van calorimetrie
Geen enkele calorimeter is perfect omdat hij warmte kan afgeven aan zijn omgeving. Hoewel bomcalorimeters in laboratoria isolatie hebben om deze verliezen te minimaliseren, is het onmogelijk om al het warmteverlies te stoppen. Bovendien zijn de reactanten in de calorimeter mogelijk niet goed gemengd, wat leidt tot ongelijkmatige verwarming en een andere mogelijke bron van fouten in uw metingen.
Afgezien van mogelijke bronnen van fouten, heeft een andere beperking betrekking op het soort reacties dat u kunt bestuderen. U wilt bijvoorbeeld weten hoe bij de afbraak van TNT warmte vrijkomt. Dit soort reactie zou onmogelijk te bestuderen zijn in een koffiekopcalorimeter en misschien zelfs niet praktisch in een bomcalorimeter. Als alternatief kan een reactie zeer langzaam plaatsvinden, zoals de oxidatie van ijzer om roest te vormen. Dit soort reactie zou heel moeilijk te bestuderen zijn met een calorimeter.
