Kalorymetr to urządzenie, które dokładnie mierzy temperaturę izolowanego układu zarówno przed, jak i po zajściu reakcji. Zmiana temperatury mówi nam, czy energia cieplna została pochłonięta, czy uwolniona i ile. Daje nam to ważne informacje na temat produktów, reagentów i charakteru reakcji.
Reakcje endotermiczne i egzotermiczne
•••Jupiterimages/Pixland/Getty Images
Proces endotermiczny pochłania ciepło z otoczenia, podczas gdy proces egzotermiczny uwalnia ciepło do otoczenia. Dodanie ciepła pomaga rozpuścić cukier i sól w wodzie. Ta reakcja jest endotermiczna: Reagenty + Energia → Produkty. Reakcje chemiczne w płomieniu świecy wydzielają ciepło. Są to egzotermiczne: Reagenty → Produkt + Energia.
Eksperymenty kalorymetryczne
Eksperymenty kalorymetryczne mierzą ilość energii cieplnej uzyskanej lub utraconej podczas reakcji, mierząc temperaturę przed i po. Na podstawie zmiany temperatury, masy substancji i sprzętu oraz innej właściwości zwanej pojemność cieplna (które mogą być różne dla każdego składnika), oblicza się zmianę energii cieplnej, która wystąpiła podczas reakcji. Jeśli zmiana jest dodatnia, energia cieplna została uwolniona, a proces jest egzotermiczny. Jeśli zmiana jest ujemna, to energia cieplna została pochłonięta, a proces jest endotermiczny.
Rodzaje kalorymetrów
Kalorymetr to zamknięty, izolowany pojemnik, w którym reakcja chemiczna przebiega w izolowanym środowisku. Kalorymetr zawiera również sposób pomiaru temperatury przed i po reakcji. Istnieją dwa główne typy kalorymetrów: kalorymetry stałociśnieniowe i kalorymetry o stałej objętości. Kubek styropianowy z pokrywką i termometrem to podstawowy kalorymetr stałociśnieniowy przydatny do domowych eksperymentów. Reakcja zachodzi zawsze pod ciśnieniem atmosferycznym. Kalorymetr bomby o stałej objętości jest bardziej skomplikowany. Reakcja zachodzi w grubościennym, szczelnym pojemniku, który jest zanurzony w izolowanej łaźni wodnej.
Przykłady: egzotermiczna
•••Goodshoot/Goodshoot/Getty Images
Kalorie w żywności można określić, spalając je w bombie kalorymetru. Mierzona próbka żywności jest umieszczana w komorze wewnętrznej, która jest wypełniona tlenem i posiada element grzejny, który zapali próbkę. Ponieważ używamy żywności, aby uzyskać energię, proces ich spalania musi uwolnić energię – są egzotermiczne. W konsekwencji temperatura będzie później wyższa niż wcześniej. Innym przykładem reakcji egzotermicznej jest to, co zachodzi w gorącym opakowaniu instant.
Przykłady: Endotermiczny
•••Thinkstock/Stockbyte/Getty Images
Wiele osób przeprowadziło eksperyment, w którym mieszasz sodę oczyszczoną i ocet i uzyskujesz ekscytującą reakcję. Ta reakcja jest endotermiczna. Nie byłoby trudno przetestować to w prostym domowym kalorymetrze. Przeciwieństwem błyskawicznych okładów gorących są błyskawiczne okłady chłodzące, które często znajdują się w apteczkach i wykorzystują reakcje endotermiczne.
Fizyczne vs. Procesy chemiczne
•••Comstock/Stockbyte/Getty Images
Słowo „reakcja” w tym artykule powinno być traktowane bardziej ogólnie. Zmiany fazowe, takie jak zamrażanie lub gotowanie wody, to procesy fizyczne, a nie reakcje chemiczne. Ciepło, które trzeba było dodać lub usunąć, aby zaszły te zmiany fazowe, daje nam ważną stałą fizyczną zwaną ciepłem transformacji. Do pomiaru tego można użyć kalorymetru.