Kavna skodelica in kalorimetrija bombe

Kalorimeter je naprava, ki se uporablja za merjenje količine toplotnega toka v kemijski reakciji. Dve najpogostejši vrsti kalorimetrov sta kalorimetra za kavno skodelico in kalorimeter bombe.

Skodelica za kavo kalorimeter je v bistvu skodelica iz stiropora (stiropora) s pokrovom. Skodelica je delno napolnjena z znanim volumnom vode in skozi pokrov skodelice se vstavi termometer, tako da je njegova žarnica pod vodno gladino. Ko pride do kemične reakcije v kalorimetru kavne skodelice, toploto reakcije absorbira voda. Sprememba temperature vode se uporablja za izračun količine toplote, ki je bila absorbirana (uporabljena za izdelavo izdelkov, zato se temperatura vode zniža) ali se razvije (izgubi vodo, zato se njena temperatura poveča) v reakcija.

Pretok toplote se izračuna na podlagi razmerja:

q = (specifična toplota) x m x Δt

Če je q pretok toplote, je m masa v gramih, in Δt je sprememba temperature. Specifična toplota je količina toplote, ki je potrebna za zvišanje temperature 1 grama snovi na 1 stopinjo Celzija. Specifična toplota vode je 4,18 J / (g · ° C).

Na primer, razmislite o kemijski reakciji, ki se pojavi v 200 gramih vode z začetno temperaturo 25,0 C. Reakcija se pusti v kalorimetru za kavno skodelico. Zaradi reakcije se temperatura vode spremeni na 31,0 C. Pretok toplote se izračuna:

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

q_voda = +5,0 x 10³ J

Produkti reakcije so razvili 5000 J toplote, ki jo je izgubila voda. The sprememba entalpije, ΔH, saj je reakcija po velikosti enaka, vendar v nasprotju s toplotnim tokom za vodo:

ΔH_reakcija = - (q_voda)

Spomnimo se, da je za eksotermično reakcijo ΔH <0, q_voda je pozitiven. Voda absorbira toploto iz reakcije in opazimo zvišanje temperature. Za endotermično reakcijo je ΔH> 0, q_voda je negativen. Voda dovaja toploto za reakcijo in opaža se znižanje temperature.

Kalorimeter za kavno skodelico je odličen za merjenje pretoka toplote v raztopini, vendar ga ni mogoče uporabiti za reakcije, ki vključujejo pline, saj bi ušli iz skodelice. Kalorimetra za kavno skodelico tudi ni mogoče uporabiti za reakcije na visoke temperature, ker bi skodelico stopili. Kalorimeter bombe se uporablja za merjenje toplotnih tokov plinov in visokotemperaturnih reakcij.

Kalorimeter bombe deluje na enak način kot kalorimeter za kavno skodelico, z eno veliko razliko: V kalorimetru iz kavne skodelice poteka reakcija v vodi, medtem ko v kalorimetru z bombo poteka reakcija v zaprti kovinski posodi, ki jo v vodo postavimo v izolirano posodo. Pretok toplote iz reakcije prečka stene zaprte posode do vode. Temperaturna razlika vode se meri tako, kot je veljala za kalorimeter za kavno skodelico. Analiza pretoka toplote je nekoliko bolj zapletena, kot je bila kalorimetra za kavno skodelico, ker je treba upoštevati pretok toplote v kovinske dele kalorimetra:

q_reakcija = - (q_voda + q_bomba)

kjer je q_voda = 4,18 J / (g · ° C) x m_voda x Δt

Bomba ima fiksno maso in specifično toploto. Maso bombe, pomnoženo z njeno specifično toploto, včasih imenujemo kalorimetrska konstanta, označena s simbolom C z enotami joulov na stopinjo Celzija. Kalorimetrska konstanta je določena eksperimentalno in se bo spreminjala od enega kalorimetra do drugega. The toplotni tok bomba je:

q_bomba = C x Δt

Ko je znana kalorimetrska konstanta, je izračun pretoka toplote preprosta zadeva. Tlak znotraj kalorimetra bombe se med reakcijo pogosto spreminja, zato toplotni tok morda ni enak velikosti kot pri entalpiji.