Hvordan beregne en brennverdi

Har du noen gang lurt på hvor informasjonen om kalorier på matetiketter kommer fra? Hvordan er det mulig å vite hvor mye energi mat vil gi uten å faktisk studere veien fra munnen til hva som helst celler vind forbruker glukosemolekylene generert fra karbohydrater, fett og proteiner som utgjør (ikke-vann) porsjoner av maten du spise?

Kaloriinnholdet, eller brennverdi, av et stoff er mengden energi som frigjøres når stoffet er fullstendig "brent", eller gjennomgår full forbrenning. Forbrenning er en av de fem grunnleggende typer kjemiske reaksjoner, og den forekommer alltid i nærvær av oksygengass (O₂), med den andre reaktanten som en slags (vanligvis karbonbasert) drivstoff.

• Brennverdien til et stoff er vanligvis gitt per mengde, det vil si per mol (m) stoff som er brent.

Først litt terminologi. EN kalori (cal) er den mengden varme (energi) som trengs for å øke temperaturen på 1 g (gram) vann 1 grad Celsius (° C). "Kaloriene" på ernæringsetikettene er faktisk kilokalorier, eller kcal (1000 kal). I kjemi er standard energienhet joule (J), lik 4,18 cal. Dermed er 1 mat "kalori" lik (1.000) (4.18) J = 4.18 kJ.

Matinnholdets energiinnhold måles ved å sette en kjent masse av et bestemt stoff (f.eks. Etanol, en aminosyre, glukose) i en enhet som kalles en bombe kalorimeter og måle mengden varme som frigjøres når reaksjonen er ferdig. Dette oppnås ved å måle temperaturendringen til en kjent vannmasse i det forseglede kalorimeteret.

Denne undervitenskapen, kalt kalorimetri, åpner for en teoretisk beregning av brennverdien. Det avhenger av å vite hvordan en gitt energiinngang endrer en kjent vannmasse. Faktisk, denne mengden, kalt spesifikk vannvarme, har vært kjent i noen tid og forklares nedenfor. (Andre stoffer har sine egne spesifikke varmer for bruk i forskjellige kjemiske situasjoner.)

Formelen for forbrenningsvarmen (eller forbrenningens entalpi) er en ligning:

H = m_C_ΔT

Her er H varmen som frigjøres ved forbrenning, m er massen i gram av vannet som brukes som varmesamler, C er den spesifikk vannvarme (4.184 J / g⋅ ° C), og ΔT er temperaturendringen i ° C.

Brennverdiformelen ser ofte annerledes ut enn dette, fordi H og C ofte er representert med forskjellige symboler. Så lenge enhetene alle er innrettet slik at du sitter igjen med enheter av energi (helst J), spiller ikke den nøyaktige brennverdiformelen du bruker noen rolle.

En prøve på 15,5 gram etanol, C₂H₆O (alkoholen i "voksne drikker") brennes i 2000 g H₂O (2 liter ved romtemperatur). Dette resulterer i en temperaturendring på 55 ° C. Hva er molær forbrenningsvarme (forbrenningsvarme per mol) av etanol? Se en periodisk tabell (se ressursene) for molekylvekter av elementer.

Bruk først en periodisk tabell for å beregne antall mol etanol som er tilstede. 1 mol inneholder to C-atomer (molekylvekt, eller MW, på 12,0 g; seks H-atomer (MW = 1,07 g); og ett oksygenatom (MW = 16,0 g). Dermed 1 mol = (2) (12) + (6) (1) + 16 = 46,0 g. Du har 15,5 g, så du har 15,5 / 46,0 = 0,336 mol.

Henvis nå til ligningen ovenfor for å finne ut energien frigjort fra massen m, den kjente verdien av C, og temperaturendringen ΔT av vannet:

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

Del nå med antall mol tilstede for å få molær forbrenningsvarme av etanol:

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

Dette er et betydelig antall, hva du forventer av noe som kan brukes til å drive biler.