Hva er et kalorimeter og hva er begrensningene?

Kjemikere trenger ofte å vite hvor mye varmeenergi en bestemt reaksjon frigjør eller absorberer. Denne målingen hjelper dem å forstå mer om hvorfor reaksjonen oppstår, og hjelper dem med å komme med nyttige spådommer. Kalorimetre er instrumenter som måler mengden varme som frigjøres eller absorberes av innholdet under en reaksjon. Det er enkelt å lage et enkelt kalorimeter, men instrumentene som brukes i laboratorier er vanligvis mer presise.

TL; DR (for lang; Leste ikke)

Kalorimetre lar deg måle mengden varme i en reaksjon. Deres viktigste begrensninger er å miste varmen til miljøet og ujevn oppvarming.

I utgangspunktet måler et kalorimeter endringen i temperaturen til kalorimeteret og dets innhold. Etter kalorimeterkalibreringen vil kjemikeren allerede ha et tall kalt kalorimeterkonstanten, som viser hvor mye temperaturen på kalorimeteret endres per mengde tilsatt varme. Ved å bruke denne informasjonen og massen av reaktantene, kan kjemikeren bestemme hvor mye varme som slippes ut eller absorberes. Det er viktig at kalorimeteret minimerer varmetapet til utsiden, siden raskt varmetap til omgivende luft vil føre til at resultatene blir skjevt.

Det er enkelt å lage et enkelt kalorimeter selv. Du trenger to isopor-kaffekopper, et termometer eller et lokk. Dette kalorimeteret for kaffekopp er overraskende pålitelig og er derfor et vanlig trekk ved grunnleggende kjemilaboratorier. Fysiske kjemilaboratorier har mer sofistikerte instrumenter som "bombe kalorimetre." I disse enhetene er reaktantene i et forseglet kammer som kalles bomben. Etter at en elektrisk gnist antenner dem, hjelper temperaturendringen til å bestemme varmen som er tapt eller oppnådd.

For å kalibrere et kalorimeter kan du bruke en prosess som overfører en kjent mengde varme, for eksempel å måle temperaturen på noe varmt og kaldt vann. For eksempel kan du blande kaldt og varmt vann i kaffekoppens kalorimeter. Deretter måler du temperaturen over tid og bruker lineær regresjon for å beregne "sluttemperaturen" til kalorimeteret og dets innhold. Å trekke varmen som er oppnådd av kaldt vann fra varmen som tappes av varmt vann, gir varmen kalorimeteret får. Å dele denne figuren med temperaturendringen i kalorimeteret gir kalorimeteret konstant, som du kan bruke i andre eksperimenter.

Ingen kalorimeter er perfekt fordi det kan miste varmen til omgivelsene. Selv om bomberkalorimetre i laboratorier har isolasjon for å minimere disse tapene, er det umulig å stoppe alt varmetap. Videre kan reaktantene i kalorimeteret ikke være godt blandet, noe som fører til ujevn oppvarming og en annen mulig feilkilde i målingene dine.

Bortsett fra mulige feilkilder, innebærer en annen begrensning hva slags reaksjoner du kan studere. Det kan for eksempel være lurt å vite hvordan dekomponeringen av TNT frigjør varme. Denne typen reaksjon ville være umulig å studere i et kaffekopp-kalorimeter og kanskje ikke engang praktisk i et bomberkalorimeter. Alternativt kan en reaksjon finne sted veldig sakte, slik som oksidasjon av jern for å danne rust. Denne typen reaksjon ville være veldig vanskelig å studere med et kalorimeter.