Kaffekop og bombe-kalorimetri

Et kalorimeter er en enhed der bruges til at måle mængden af ​​varmestrøm i en kemisk reaktion. To af de mest almindelige typer kalorimeter er kaffekopkalorimeteret og bombenkalorimeteret.

En kaffekop kalorimeter er hovedsagelig en polystyren (Styrofoam) kop med et låg. Koppen er delvist fyldt med et kendt volumen vand, og et termometer indsættes gennem låget på koppen, så dens pære er under vandoverfladen. Når der opstår en kemisk reaktion i kaffekopskalorimeteret, optages reaktionsvarmen i vandet. Ændringen i vandtemperatur bruges til at beregne den mængde varme, der er blevet absorberet (brugt til at fremstille produkter, så vandtemperaturen falder) eller udvikles (tabes i vandet, så dens temperatur stiger) i reaktion.

Varmestrømmen beregnes ved hjælp af forholdet:

q = (specifik varme) x m x Δt

Hvor q er varmestrøm, er m masse i gram, og det er ændringen i temperatur. Den specifikke varme er den mængde varme, der kræves for at hæve temperaturen på 1 gram af et stof 1 grad Celsius. Den specifikke vandvarme er 4,18 J / (g · ° C).

Overvej for eksempel en kemisk reaktion, der finder sted i 200 gram vand med en starttemperatur på 25,0 C. Reaktionen får lov til at fortsætte i kaffekopskalorimeteret. Som et resultat af reaktionen ændres vandets temperatur til 31,0 ° C. Varmestrømmen beregnes:

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

q_vand = +5,0 x 10³ J

Produkterne fra reaktionen udviklede 5.000 J varme, som blev tabt i vandet. Det entalpi ændring, ΔH, for reaktionen er lig i størrelse men modsat i tegn til varmestrømmen for vandet:

AH_reaktion = - (q_vand)

Husk, at forH <0, q for en eksoterm reaktion_vand er positiv. Vandet optager varme fra reaktionen, og der ses en stigning i temperaturen. For en endoterm reaktion, ΔH> 0, q_vand er negativ. Vandet leverer varme til reaktionen, og der kan ses et fald i temperaturen.

Et kaffekopskalorimeter er fantastisk til at måle varmestrøm i en opløsning, men det kan ikke bruges til reaktioner, der involverer gasser, da de ville flygte ud af koppen. Kaffekoppens kalorimeter kan heller ikke bruges til reaktioner ved høj temperatur, fordi de ville smelte koppen. Et bombekalorimeter bruges til at måle varmestrømme for gasser og reaktioner ved høj temperatur.

Et bombekalorimeter fungerer på samme måde som et kaffekopkalorimeter med en stor forskel: I et kaffekopkalorimeter finder reaktionen sted i vandet, mens det er i en bombe-kalorimeter, finder reaktionen sted i en forseglet metalbeholder, der anbringes i vandet i en isoleret beholder. Varmestrøm fra reaktionen krydser væggene i den forseglede beholder til vandet. Temperaturforskellen på vandet måles, ligesom det var for et kaffekop-kalorimeter. Analyse af varmestrømmen er lidt mere kompliceret end den var for kaffekopskalorimeteret, fordi der skal tages højde for varmestrømmen ind i metaldelene på kalorimeteret:

q_reaktion = - (q_vand + q_bombe)

hvor q_vand = 4,18 J / (g · ° C) x m_vand x Δt

Bomben har en fast masse og specifik varme. Bombenes masse ganget med dens specifikke varme kaldes undertiden kalorimeterkonstanten, betegnet med symbolet C med enheder af joule pr. Grad Celsius. Kalorimeterkonstanten bestemmes eksperimentelt og vil variere fra et kalorimeter til det næste. Det varmestrøm af bomben er:

q_bombe = C x Δt

Når kalorimeterkonstanten er kendt, er beregning af varmestrømning en simpel sag. Trykket inden i en bombe-kalorimeter ændres ofte under en reaktion, så varmestrømmen muligvis ikke er ens i størrelsesorden til entalpiændringen.