Хімікам часто потрібно знати, скільки теплової енергії виділяє або поглинає певна реакція. Це вимірювання допомагає їм більше зрозуміти, чому виникає реакція, і допомагає робити корисні прогнози. Калориметри - це прилади, які вимірюють кількість теплоти, що виділяється або поглинається вмістом під час реакції. Зробити простий калориметр легко, але інструменти, що використовуються в лабораторіях, зазвичай більш точні.
TL; ДР (занадто довгий; Не читав)
Калориметри дозволяють вимірювати кількість тепла в реакції. Їх основними обмеженнями є втрата тепла в навколишнє середовище та нерівномірне нагрівання.
Функції калориметра
В основному калориметр вимірює зміну температури калориметра та його вмісту. Після калібрування калориметра хімік вже матиме число, яке називається константою калориметра, яке показує, наскільки змінюється температура калориметра на додану кількість тепла. Використовуючи цю інформацію та масу реагентів, хімік може визначити, скільки тепла виділяється або поглинається. Важливо, щоб калориметр мінімізував швидкість тепловтрат назовні, оскільки швидкі втрати тепла на навколишнє повітря призведуть до перекосу результатів.
Різні типи калориметрів
Зробити простий калориметр самостійно легко. Вам потрібні дві кавові чашки з пінополістиролу, термометр або кришка. Цей калориметр з кавовою чашкою є напрочуд надійним і, отже, є загальною властивістю хімічних лабораторій студентів. Лабораторії фізичної хімії мають більш досконалі прилади, такі як "бомбовий калориметр". У цих пристроях реагенти знаходяться в герметичній камері, яка називається бомбою. Після того, як електрична іскра запалює їх, зміна температури допомагає визначити втрачене або отримане тепло.
Калібрування калориметра
Для калібрування калориметра можна використовувати процес, який передає відому кількість тепла, наприклад, вимірювання температури деякої кількості гарячої та холодної води. Наприклад, ви можете змішувати холодну та гарячу воду у своєму калориметрі для кавової чашки. Далі ви вимірюєте температуру з часом і використовуєте лінійну регресію для обчислення "кінцевої температури" калориметра та його вмісту. Віднімання тепла, отриманого холодною водою, від тепла, втраченого гарячою водою, дає тепло, отримане калориметром. Поділивши цей показник на зміну температури калориметра, ви отримаєте його калориметричну константу, яку ви можете використовувати в інших експериментах.
Обмеження калориметрії
Жоден калориметр не ідеальний, оскільки він може втрачати тепло навколишнього середовища. Хоча калориметричні бомби в лабораторіях мають ізоляцію для мінімізації цих втрат, зупинити всі втрати тепла неможливо. Більше того, реагенти в калориметрі можуть бути погано змішані, що призводить до нерівномірного нагрівання та іншого можливого джерела помилок у вимірах.
Окрім можливих джерел помилок, іншим обмеженням є види реакцій, які ви можете вивчити. Наприклад, ви можете знати, як розкладання тротилу виділяє тепло. Таку реакцію було б неможливо вивчити в калориметрі з чашкою кави і навіть не було б практичним у калориметрі з бомбою. Як варіант, реакція може протікати дуже повільно, наприклад, окислення заліза з утворенням іржі. Цей тип реакції було б дуже важко вивчити за допомогою калориметра.