Chemici často musia vedieť, koľko tepelnej energie konkrétna reakcia uvoľní alebo absorbuje. Toto meranie im pomáha pochopiť viac o tom, prečo dochádza k reakcii, a pomáha im robiť užitočné predpovede. Kalorimetre sú prístroje, ktoré merajú množstvo tepla uvoľneného alebo absorbovaného obsahom počas reakcie. Ľahko sa dá vyrobiť jednoduchý kalorimeter, ale prístroje používané v laboratóriách sú zvyčajne presnejšie.
TL; DR (príliš dlhý; Nečítali)
Kalorimetre umožňujú merať množstvo tepla v reakcii. Ich hlavným obmedzením je strata tepla do životného prostredia a nerovnomerné vykurovanie.
Funkcie kalorimetra
Kalorimeter v zásade meria zmenu teploty kalorimetra a jeho obsahu. Po kalibrácii kalorimetra bude mať chemik už číslo nazývané konštanta kalorimetra, ktoré ukazuje, ako veľmi sa teplota kalorimetra mení na množstvo pridaného tepla. Pomocou týchto informácií a hmotnosti reaktantov môže chemik určiť, koľko tepla sa uvoľní alebo absorbuje. Je dôležité, aby kalorimeter minimalizoval rýchlosť tepelných strát smerom von, pretože rýchle straty tepla do okolitého vzduchu by skreslili výsledky.
Rôzne typy kalorimetrov
Ľahko si sami vyrobíte jednoduchý kalorimeter. Potrebujete dve šálky na kávu z polystyrénu, teplomer alebo veko. Tento kalorimeter na kávové šálky je prekvapivo spoľahlivý a je tak bežnou vlastnosťou vysokoškolských laboratórií. Laboratóriá fyzikálnej chémie majú sofistikovanejšie prístroje, ako napríklad „bombové kalorimetre“. V týchto zariadeniach sú reaktanty v uzavretej komore nazývanej bomba. Keď ich elektrická iskra zapáli, zmena teploty pomáha určiť stratené alebo získané teplo.
Kalibrácia kalorimetra
Na kalibráciu kalorimetra môžete použiť postup, pri ktorom sa prenáša známe množstvo tepla, napríklad meraním teploty horúcej a studenej vody. Napríklad v kalorimetri šálky na kávu môžete miešať studenú a horúcu vodu. Ďalej zmeriate teplotu v čase a pomocou lineárnej regresie vypočítate „konečnú teplotu“ kalorimetra a jeho obsahu. Odpočítaním tepla získaného studenou vodou od tepla strateného horúcou vodou sa získa teplo získané kalorimetrom. Vydelením tohto údaju zmenou teploty kalorimetra získate jeho kalorimetrickú konštantu, ktorú môžete použiť v iných experimentoch.
Obmedzenia kalorimetrie
Žiadny kalorimeter nie je dokonalý, pretože môže strácať teplo pre svoje okolie. Aj keď majú bombové kalorimetre v laboratóriách izoláciu, aby sa tieto straty minimalizovali, je nemožné zastaviť všetky tepelné straty. Reaktanty v kalorimetri navyše nemusia byť dobre zmiešané, čo vedie k nerovnomernému zahrievaniu a ďalšiemu možnému zdroju chýb vo vašich meraniach.
Okrem možných zdrojov chýb zahŕňa ďalšie obmedzenie druhy reakcií, ktoré môžete študovať. Napríklad by vás mohlo zaujímať, ako sa pri rozklade TNT uvoľňuje teplo. Tento druh reakcie by nebolo možné študovať v kalorimetri šálky s kávou a nemusel by byť praktický ani v prípade bombového kalorimetra. Alternatívne môže reakcia prebiehať veľmi pomaly, napríklad oxidáciou železa za vzniku hrdze. Tento druh reakcie by bolo veľmi ťažké študovať pomocou kalorimetra.