Kemiki morajo pogosto vedeti, koliko toplotne energije posamezna reakcija sprosti ali absorbira. Ta meritev jim pomaga razumeti več, zakaj pride do reakcije, in jim pomaga pri napovedih. Kalorimetri so instrumenti, ki merijo količino toplote, ki jo vsebina sprosti ali absorbira med reakcijo. Preprost kalorimeter je enostavno narediti, vendar so instrumenti, ki se uporabljajo v laboratorijih, običajno bolj natančni.
TL; DR (predolgo; Nisem prebral)
Kalorimetri omogočajo merjenje količine toplote v reakciji. Njihove glavne omejitve so izguba toplote v okolju in neenakomerno ogrevanje.
Funkcije kalorimetra
V osnovi kalorimeter meri spremembo temperature kalorimetra in njegove vsebine. Po kalibraciji kalorimetra bo kemik že imel številko, imenovano kalorimetrska konstanta, ki prikazuje, koliko se temperatura kalorimetra spreminja na dodano količino toplote. Na podlagi teh informacij in mase reaktantov lahko kemik določi, koliko toplote se sprosti ali absorbira. Pomembno je, da kalorimeter zmanjša stopnjo toplotne izgube navzven, saj bi hitre izgube toplote v okoliškem zraku popačile rezultate.
Različne vrste kalorimetrov
Preprost kalorimeter lahko enostavno naredite sami. Potrebujete dve kavni skodelici iz stiropora, termometer ali pokrov. Ta kalorimeter s kavno skodelico je presenetljivo zanesljiv in je zato pogosta značilnost dodiplomskih kemijskih laboratorijev. Laboratoriji za fizikalno kemijo imajo bolj dovršene instrumente, kot so "kalorimetri z bombami". V teh napravah so reaktanti v zaprti komori, imenovani bomba. Ko jih vžge električna iskra, sprememba temperature pomaga določiti izgubljeno ali pridobljeno toploto.
Umerjanje kalorimetra
Za kalibracijo kalorimetra lahko uporabite postopek, ki prenaša znano količino toplote, na primer merjenje temperature vroče in hladne vode. Na primer, v kalorimetru v skodelici lahko mešate hladno in toplo vodo. Nato izmerite temperaturo skozi čas in uporabite linearno regresijo za izračun "končne temperature" kalorimetra in njegove vsebine. Če toploto, ki jo pridobi hladna voda, odštejemo od toplote, ki jo izgubi vroča voda, dobimo toploto, pridobljeno s kalorimetrom. Če to številko razdelite na spremembo temperature kalorimetra, dobite njegovo kalorimetrsko konstanto, ki jo lahko uporabite v drugih poskusih.
Omejitve kalorimetrije
Noben kalorimeter ni popoln, ker lahko izgubi toploto v okolici. Čeprav imajo kalorimetri za bombe v laboratorijih izolacijo za zmanjšanje teh izgub, je nemogoče ustaviti vse izgube toplote. Poleg tega reaktanti v kalorimetru morda niso dobro mešani, kar vodi do neenakomernega segrevanja in drugega možnega vira napak pri meritvah.
Druga omejitev poleg možnih virov napak vključuje vrste reakcij, ki jih lahko preučite. Na primer, morda boste želeli vedeti, kako razgradnja TNT sprošča toploto. Tovrstne reakcije bi bilo nemogoče proučiti v kalorimetru s skodelico za kavo in morda ne bi bili praktični v kalorimetru z bombo. Druga možnost je, da lahko reakcija poteka zelo počasi, na primer oksidacija železa, da nastane rja. Tovrstno reakcijo bi bilo zelo težko proučiti s kalorimetrom.