Jak obliczyć wartość kaloryczną

Czy zastanawiałeś się kiedyś, skąd pochodzą informacje o kaloriach na etykietach żywności? Jak można wiedzieć, ile energii dostarczy jedzenie bez faktycznego badania jego drogi od ust do wiatru komórek? do spożywania cząsteczek glukozy wytworzonych z węglowodanów, tłuszczów i białek składających się na (niewodne) porcje pożywienia jeść?

Zawartość kalorii, czyli Wartość opałowa, substancji to ilość energii, która jest uwalniana, gdy substancja jest całkowicie „spalona” lub ulega całkowitemu spaleniu. Spalanie jest jednym z pięciu podstawowych typów reakcji chemicznych i zawsze zachodzi w obecności gazowego tlenu (O₂), przy czym drugim reagentem jest pewnego rodzaju (zwykle na bazie węgla) paliwo.

• Wartość opałowa substancji jest zwykle podawana w przeliczeniu na ilość, to znaczy na mol (m) spalonej substancji.

Najpierw trochę terminologii. ZA kaloria (cal) to ilość ciepła (energii) potrzebna do podniesienia temperatury 1 g (gram) wody o 1 stopień Celsjusza (°C). „Kalorie” na etykietach żywieniowych to tak naprawdę kilokalorie lub kcal (1000 kalorii). W chemii standardową jednostką energii jest dżul (J), równy 4,18 cal. Tak więc 1 „kaloria” żywności jest równa (1,000)(4,18) J = 4,18 kJ.

Zawartość energii w żywności jest mierzona poprzez umieszczenie znanej masy określonej substancji (np. etanolu, aminokwasu, glukozy) w urządzeniu zwanym kalorymetr bombowy i pomiar ilości ciepła uwolnionego po zakończeniu reakcji. Odbywa się to poprzez pomiar zmiany temperatury znanej masy wody w szczelnym kalorymetrze.

Ta podnauka, zwana kalorymetria, pozwala na teoretyczne obliczenie wartości opałowej. To zależy od tego, jak dany wkład energii zmienia znaną masę wody. W rzeczywistości ta ilość, zwana ciepło właściwe wody, jest znany od pewnego czasu i wyjaśniony poniżej. (Inne substancje mają swoje własne specyficzne temperatury do wykorzystania w różnych sytuacjach chemicznych.)

Wzór na ciepło spalania (lub entalpię spalania) to równanie:

H = m_C_ΔT

Tutaj H to ciepło uwalniane przez spalanie, m to masa w gramach wody użytej jako kolektor ciepła, do jest ciepło właściwe wody (4,184 J/g⋅°C), a ΔT to zmiana temperatury w °C.

Wzór wartości opałowej często wygląda inaczej, ponieważ H i C są często reprezentowane przez różne symbole. Dopóki wszystkie jednostki są wyrównane tak, że pozostajesz z jednostkami energii (najlepiej J), dokładna formuła wartości opałowej, której używasz, nie ma znaczenia.

15,5-gramowa próbka etanolu, C₂H₆O (alkohol w „napojach dla dorosłych”) jest spalany w 2000 g H₂O (2 litry w temperaturze pokojowej). Powoduje to zmianę temperatury o 55 °C. Jakie jest molowe ciepło spalania (ciepło spalania na mol) etanolu? Odnieś się do układu okresowego (patrz Zasoby) dla mas cząsteczkowych pierwiastków.

Najpierw użyj układu okresowego, aby obliczyć liczbę moli obecnego etanolu. 1 mol zawiera dwa atomy C (ciężar cząsteczkowy lub MW 12,0 g; sześć atomów H (MW = 1,07 g); i jeden atom tlenu (MW = 16,0 g). Zatem 1 mol = (2)(12) + (6)(1) + 16 = 46,0 g. Masz 15,5 g, więc masz 15,5/46,0 = 0,336 mol.

Teraz odnieś się do powyższego równania, aby obliczyć energię uwolnioną z masy m, znaną wartość do, a zmiana temperatury ΔT wody:

H = (2000 g) (4,184 J/g⋅°C)(55 °C) = 460,240 J = 460,24 kJ

Teraz podziel przez liczbę obecnych moli, aby uzyskać molowe ciepło spalania etanolu:

(460,24 kJ)/(0,336 mol) = 1,369 kJ/mol.

To pokaźna liczba, czego można się spodziewać po czymś, co można wykorzystać do napędzania samochodów.