Kemister behöver ofta veta hur mycket värmeenergi en viss reaktion frigör eller absorberar. Denna mätning hjälper dem att förstå mer om varför reaktionen inträffar och hjälper dem att göra användbara förutsägelser. Kalorimetrar är instrument som mäter mängden värme som frigörs eller absorberas av innehållet under en reaktion. Det är enkelt att skapa en enkel kalorimeter, men instrumenten som används i laboratorier är vanligtvis mer exakta.
TL; DR (för lång; Läste inte)
Med kalorimetrar kan du mäta mängden värme i en reaktion. Deras huvudsakliga begränsningar är att förlora värme till miljön och ojämn uppvärmning.
Funktionerna hos en kalorimeter
I grund och botten mäter en kalorimeter kalorimeterns temperaturförändring och dess innehåll. Efter kalorimeterskalibreringen har kemisten redan ett nummer som kallas kalorimeterkonstanten, vilket visar hur mycket kalorimetern förändras per mängd tillsatt värme. Med hjälp av denna information och reaktanternas massa kan kemisten bestämma hur mycket värme som släpps ut eller absorberas. Det är viktigt att kalorimetern minimerar värmeförlusten utåt, eftersom snabb värmeförlust till omgivande luft skulle snedvrida resultaten.
Olika typer av kalorimetrar
Det är enkelt att göra en enkel kalorimeter själv. Du behöver två kaffekoppar av isopor, en termometer eller ett lock. Denna kaffekoppskalorimeter är förvånansvärt tillförlitlig och är därför ett vanligt inslag i grundläggande kemilaboratorier. Fysikalisk kemilaboratorier har mer sofistikerade instrument som "bombkalorimetrar". I dessa enheter är reaktanterna i en förseglad kammare som kallas bomben. När en elektrisk gnista tänder dem hjälper temperaturförändringen till att bestämma den förlorade eller förvärvade värmen.
Kalibrering av en kalorimeter
För att kalibrera en kalorimeter kan du använda en process som överför en känd mängd värme, såsom att mäta temperaturen på något varmt och kallt vatten. Du kan till exempel blanda kallt och varmt vatten i din kaffekopps kalorimeter. Därefter mäter du temperaturen över tiden och använder linjär regression för att beräkna kalorimeterns "slutliga temperatur" och dess innehåll. Att subtrahera värmen som erhållits av det kalla vattnet från värmen som förloras av det varma vattnet ger den värme som kalorimetern får. Genom att dela denna siffra med kalorimeterns temperaturförändring får den sin kalorimeter konstant, vilket du kan använda i andra experiment.
Begränsningar av kalorimetri
Ingen kalorimeter är perfekt eftersom den kan förlora värme till omgivningen. Även om bombkalorimetrar i laboratorier har isolering för att minimera dessa förluster är det omöjligt att stoppa all värmeförlust. Dessutom kan reaktanterna i kalorimetern inte vara väl blandade, vilket leder till ojämn uppvärmning och en annan möjlig felkälla i dina mätningar.
Bortsett från möjliga felkällor innebär en annan begränsning vilka typer av reaktioner du kan studera. Du kanske till exempel vill veta hur sönderdelningen av TNT frigör värme. Denna typ av reaktion skulle vara omöjlig att studera i en kaffekoppskalorimeter och kanske inte ens vara praktisk i en bombkalorimeter. Alternativt kan en reaktion äga rum mycket långsamt, såsom oxidation av järn för att bilda rost. Denna typ av reaktion skulle vara mycket svår att studera med en kalorimeter.
