Kaffekopp och bombkalorimetri

En kalorimeter är en anordning som används för att mäta mängden värmeflöde i en kemisk reaktion. Två av de vanligaste typerna av kalorimetrar är kaffekoppskalorimeter och bombkalorimeter.

Kaffekoppskalorimeter

En kaffekoppskalorimeter är i huvudsak en polystyren (Styrofoam) kopp med lock. Koppen är delvis fylld med en känd volym vatten och en termometer införs genom locket på koppen så att dess glödlampa ligger under vattenytan. När en kemisk reaktion inträffar i kaffekoppskalorimetern, absorberas reaktionsvärmen av vattnet. Förändringen i vattentemperatur används för att beräkna mängden värme som har absorberats (används för att tillverka produkter, så att vattentemperaturen sjunker) eller utvecklats (förlorat i vattnet, så att dess temperatur ökar) i reaktionen.

Värmeflödet beräknas med hjälp av relationen:

q = (specifik värme) x m x Δt

Där q är värmeflöde, är m massa i gram, och Δt är temperaturförändringen. Den specifika värmen är den mängd värme som krävs för att höja temperaturen på 1 gram av ett ämne 1 grad Celsius. Den specifika vattenvärmen är 4,18 J / (g · ° C).

Tänk till exempel på en kemisk reaktion som inträffar i 200 gram vatten med en initial temperatur på 25,0 C. Reaktionen får fortsätta i kaffekoppskalorimetern. Som ett resultat av reaktionen ändras vattnets temperatur till 31,0 C. Värmeströmmen beräknas:

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

q_vatten = +5,0 x 10³ J

Produkterna från reaktionen utvecklades 5 000 J värme, vilket förlorades i vattnet. Entalpinförändringen, ΔH, för reaktionen är lika stor i storlek men motsatt i tecken på värmeflödet för vattnet:

AH_reaktion = - (q_vatten)

Kom ihåg att för en exoterm reaktion, ΔH < 0, q_vatten är positivt. Vattnet absorberar värme från reaktionen och en temperaturökning ses. För en endoterm reaktion, ΔH> 0, q_vatten är negativ. Vattnet tillför värme för reaktionen och en minskning av temperaturen ses.

Bomb Calorimeter

En kaffekoppskalorimeter är bra för att mäta värmeflödet i en lösning, men den kan inte användas för reaktioner som involverar gaser eftersom de skulle fly från koppen. Kaffekoppskalorimetern kan inte heller användas för högtemperaturreaktioner eftersom de skulle smälta koppen. En bombkalorimeter används för att mäta värmeströmmar för gaser och högtemperaturreaktioner.

En bombkalorimeter fungerar på samma sätt som en kaffekoppskalorimeter, med en stor skillnad: I en kaffekoppskalorimeter sker reaktionen i vattnet, medan reaktionen sker i en tät metallbehållare, i en bombkalorimeter placeras i vattnet i en isolerad behållare. Värmeflöde från reaktionen korsar väggarna i den förseglade behållaren till vattnet. Vattenens temperaturskillnad mäts, precis som för en kaffekoppskalorimeter. Analys av värmeflödet är lite mer komplex än det var för kaffekoppskalorimetern eftersom värmeflödet till metalldelarna på kalorimetern måste beaktas:

q_reaktion = - (q_vatten + q_bomba)

där q_vatten = 4,18 J / (g · ° C) x m_vatten x Δt

Bomben har en fast massa och specifik värme. Bombens massa multiplicerad med dess specifika värme benämns ibland kalorimeterkonstanten, betecknad med symbolen C med enheter av joule per grad Celsius. Kalorimeterkonstanten bestäms experimentellt och kommer att variera från en kalorimeter till nästa. Värmeströmmen i bomben är:

q_bomba = C x Δt

När kalorimeterkonstanten väl är känd, är beräkning av värmeflöde en enkel fråga. Trycket i en bombkalorimeter ändras ofta under en reaktion, så värmeflödet kanske inte är lika stort i förhållande till entalpiförändringen.