Chemicy często muszą wiedzieć, ile energii cieplnej uwalnia lub pochłania dana reakcja. Ten pomiar pomaga im lepiej zrozumieć, dlaczego zachodzi reakcja i pomaga im w dokonywaniu przydatnych prognoz. Kalorymetry to przyrządy, które mierzą ilość ciepła uwalnianego lub pochłanianego przez zawartość podczas reakcji. Łatwo jest zrobić prosty kalorymetr, ale instrumenty używane w laboratoriach są zazwyczaj bardziej precyzyjne.
TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)
Kalorymetry pozwalają zmierzyć ilość ciepła w reakcji. Ich głównymi ograniczeniami są straty ciepła do otoczenia oraz nierównomierne ogrzewanie.
Funkcje kalorymetru
Zasadniczo kalorymetr mierzy zmianę temperatury kalorymetru i jego zawartości. Po kalibracji kalorymetru chemik będzie miał już liczbę zwaną stałą kalorymetru, która pokazuje, jak bardzo zmienia się temperatura kalorymetru na ilość dodanego ciepła. Wykorzystując te informacje i masę reagentów, chemik może określić, ile ciepła jest uwalniane lub absorbowane. Ważne jest, aby kalorymetr minimalizował tempo utraty ciepła na zewnątrz, ponieważ szybka utrata ciepła do otaczającego powietrza mogłaby zafałszować wyniki.
Różne typy kalorymetrów
Samodzielne wykonanie prostego kalorymetru jest łatwe. Potrzebujesz dwóch styropianowych kubków do kawy, termometru lub pokrywki. Ten kalorymetr z filiżanką kawy jest zaskakująco niezawodny i dlatego jest powszechną cechą laboratoriów chemii na studiach licencjackich. Laboratoria fizykochemiczne mają bardziej wyrafinowane instrumenty, takie jak „kalorymetry bomb”. W tych urządzeniach reagenty znajdują się w zamkniętej komorze zwanej bombą. Po zapaleniu ich przez iskrę elektryczną, zmiana temperatury pomaga określić utracone lub uzyskane ciepło.
Kalibracja kalorymetru
Aby skalibrować kalorymetr, możesz użyć procesu, który przenosi znaną ilość ciepła, na przykład pomiaru temperatury ciepłej i zimnej wody. Na przykład w kalorymetrze na filiżanki kawy możesz zmieszać zimną i gorącą wodę. Następnie mierzysz temperaturę w czasie i za pomocą regresji liniowej obliczasz „temperaturę końcową” kalorymetru i jego zawartości. Odjęcie ciepła uzyskanego przez zimną wodę od ciepła traconego przez gorącą wodę daje ciepło uzyskane przez kalorymetr. Dzieląc tę liczbę przez zmianę temperatury kalorymetru, otrzymujemy stałą kalorymetru, którą można wykorzystać w innych eksperymentach.
Ograniczenia kalorymetrii
Żaden kalorymetr nie jest doskonały, ponieważ może oddawać ciepło do otoczenia. Chociaż kalorymetry bombowe w laboratoriach mają izolację, aby zminimalizować te straty, niemożliwe jest zatrzymanie wszystkich strat ciepła. Co więcej, reagenty w kalorymetrze mogą nie być dobrze wymieszane, co prowadzi do nierównomiernego ogrzewania i innego możliwego źródła błędów w pomiarach.
Oprócz możliwych źródeł błędów, innym ograniczeniem są rodzaje reakcji, które można badać. Na przykład możesz chcieć wiedzieć, w jaki sposób rozkład TNT uwalnia ciepło. Ten rodzaj reakcji byłby niemożliwy do zbadania w kalorymetrze na filiżanki do kawy, a może nawet nie być praktyczny w kalorymetrze bombowym. Alternatywnie reakcja może zachodzić bardzo powoli, taka jak utlenianie żelaza z wytworzeniem rdzy. Ten rodzaj reakcji byłby bardzo trudny do zbadania kalorymetrem.