Kaffekopp og bombe-kalorimetri

Et kalorimeter er en enhet som brukes til å måle mengden varmestrøm i en kjemisk reaksjon. To av de vanligste typene kalorimeter er kaffekoppens kalorimeter og bombenkalorimeter.

En kaffekopp kalorimeteret er egentlig en polystyren (Styrofoam) kopp med lokk. Koppen er delvis fylt med et kjent vannmengde og et termometer føres gjennom lokket på koppen slik at pæren er under vannoverflaten. Når det oppstår en kjemisk reaksjon i kaffekoppens kalorimeter, blir reaksjonsvarmen absorbert av vannet. Endringen i vanntemperatur brukes til å beregne mengden varme som er absorbert (brukt til å lage produkter, slik at vanntemperaturen synker) eller utvikles (tapt for vannet, så temperaturen øker) i reaksjon.

Varmestrømmen beregnes ved å bruke forholdet:

q = (spesifikk varme) x m x Δt

Hvor q er varmestrøm, er m masse i gram, og det er endringen i temperatur. Den spesifikke varmen er mengden varme som kreves for å heve temperaturen på 1 gram av et stoff 1 grad Celsius. Den spesifikke varmen til vann er 4,18 J / (g · ° C).

Tenk for eksempel på en kjemisk reaksjon som oppstår i 200 gram vann med en starttemperatur på 25,0 C. Reaksjonen får fortsette i kaffekoppens kalorimeter. Som et resultat av reaksjonen endres temperaturen på vannet til 31,0 C. Varmestrømmen beregnes:

q_vann = 4,18 J / (g · ° C) x 200 g x (31,0 C - 25,0 C)

q_vann = +5,0 x 10³ J

Produktene fra reaksjonen utviklet 5000 J varme som gikk tapt for vannet. De entalpiendring, ΔH, for reaksjonen er lik i størrelse men motsatt i tegn til varmestrømmen for vannet:

AH_reaksjon = - (q_vann)

Husk at for en eksoterm reaksjon, ΔH <0, q_vann er positivt. Vannet tar opp varme fra reaksjonen og en økning i temperaturen sees. For en endoterm reaksjon, ΔH> 0, q_vann er negativ. Vannet tilfører varme for reaksjonen og en reduksjon i temperaturen sees.

En kaffekoppkalorimeter er ypperlig til å måle varmestrømmen i en løsning, men den kan ikke brukes til reaksjoner som involverer gasser siden de ville rømme fra koppen. Kaffekoppkalorimeteret kan heller ikke brukes til reaksjoner ved høye temperaturer, fordi de vil smelte koppen. En bombe kalorimeter brukes til å måle varmestrømmer for gasser og reaksjoner ved høye temperaturer.

Et bombekalorimeter fungerer på samme måte som et kaffekoppkalorimeter, med en stor forskjell: I et kaffekoppkalorimeter finner reaksjonen sted i vannet, mens det er i en bombe-kalorimeter, foregår reaksjonen i en forseglet metallbeholder, som plasseres i vannet i en isolert beholder. Varmestrøm fra reaksjonen krysser veggene i den forseglede beholderen til vannet. Temperaturdifferansen på vannet måles, akkurat som for en kaffekopp kalorimeter. Analyse av varmestrømmen er litt mer kompleks enn den var for kaffekoppskalorimeteret, fordi det må tas hensyn til varmestrømmen inn i metalldelene på kalorimeteret:

q_reaksjon = - (q_vann + q_bombe)

hvor q_vann = 4,18 J / (g · ° C) x m_vann x Δt

Bomben har en fast masse og spesifikk varme. Massen til bomben multiplisert med dens spesifikke varme betegnes noen ganger kalorimeterkonstanten, betegnet med symbolet C med enheter av joule per grad Celsius. Kalorimeterkonstanten bestemmes eksperimentelt og vil variere fra ett kalorimeter til det neste. De varmebølge av bomben er:

q_bombe = C x Δt

Når kalorimeterkonstanten er kjent, er det en enkel sak å beregne varmestrømmen. Trykket i en bombe-kalorimeter endres ofte under en reaksjon, så varmestrømmen kan ikke være lik størrelse i forhold til entalpiendringen.