Koffiekopje en bomcalorimetrie

Een calorimeter is een apparaat dat wordt gebruikt om de hoeveelheid warmtestroom in een chemische reactie te meten. Twee van de meest voorkomende soorten calorimeters zijn de koffiekopcalorimeter en de bomcalorimeter.

Koffiekopje Calorimeter

Een koffiekop calorimeter is in wezen een polystyreen (piepschuim) beker met een deksel. De beker is gedeeltelijk gevuld met een bekend volume water en een thermometer wordt ingebracht door het deksel van de beker zodat de bol zich onder het wateroppervlak bevindt. Wanneer een chemische reactie optreedt in de calorimeter van het koffiekopje, wordt de warmte van de reactie geabsorbeerd door het water. De verandering in watertemperatuur wordt gebruikt om de hoeveelheid warmte te berekenen die is geabsorbeerd (gebruikt om producten te maken, zodat de watertemperatuur daalt) of is geëvolueerd (verloren aan het water, dus de temperatuur stijgt) in de reactie.

Warmtestroom wordt berekend met behulp van de relatie:

q = (soortelijke warmte) x m x Δt

Waar q warmtestroming is, is m massa in gram en At is de verandering in temperatuur. De soortelijke warmte is de hoeveelheid warmte die nodig is om de temperatuur van 1 gram van een stof 1 graad Celsius te verhogen. De soortelijke warmte van water is 4.18 J / (g · ° C).

Overweeg bijvoorbeeld een chemische reactie die optreedt in 200 gram water met een begintemperatuur van 25,0 C. De reactie mag doorgaan in de calorimeter van het koffiekopje. Als gevolg van de reactie verandert de temperatuur van het water in 31,0 C. De warmtestroom wordt berekend:

q_water = 4.18 J / (g · ° C) x 200 g x (31.0 C - 25.0 C)

q_water = +5,0 x 10³ J

De producten van de reactie ontwikkelden 5.000 J warmte, die verloren ging aan het water. De enthalpieverandering, ΔH, voor de reactie is gelijk in grootte maar tegengesteld aan teken van de warmtestroom voor het water:

AH_reactie = - (q_water)

Bedenk dat voor een exotherme reactie, Ah < 0, q_water is positief. Het water absorbeert warmte uit de reactie en een temperatuurstijging wordt waargenomen. Voor een endotherme reactie, Ah> 0, q_water is negatief. Het water levert warmte voor de reactie en een temperatuurdaling wordt waargenomen.

Bom Calorimeter

Een calorimeter voor een koffiekopje is geweldig voor het meten van de warmtestroom in een oplossing, maar het kan niet worden gebruikt voor reacties waarbij gassen betrokken zijn, omdat deze uit het kopje ontsnappen. De calorimeter van het koffiekopje kan ook niet worden gebruikt voor reacties op hoge temperatuur, omdat ze het kopje zouden smelten. Een bomcalorimeter wordt gebruikt om warmtestromen te meten voor gassen en reacties op hoge temperatuur.

Een bomcalorimeter werkt op dezelfde manier als een koffiekopcalorimeter, met één groot verschil: in een koffiekopcalorimeter vindt de reactie plaats in het water, terwijl in een bomcalorimeter de reactie plaatsvindt in een afgesloten metalen container, die wordt in een geïsoleerde container in het water geplaatst. Warmtestroom uit de reactie kruist de wanden van de afgesloten container naar het water. Het temperatuurverschil van het water wordt gemeten, net zoals voor een calorimeter voor een koffiekopje. Analyse van de warmtestroom is een beetje complexer dan voor de calorimeter van het koffiekopje omdat rekening moet worden gehouden met de warmtestroom naar de metalen delen van de calorimeter:

q_reactie = - (q_water + q_bom)

waar q_water = 4,18 J / (g · ° C) x m_water x Δt

De bom heeft een vaste massa en specifieke hitte. De massa van de bom vermenigvuldigd met zijn soortelijke warmte wordt soms de calorimeterconstante genoemd, aangeduid met het symbool C met eenheden joules per graad Celsius. De calorimeterconstante wordt experimenteel bepaald en varieert van de ene calorimeter tot de volgende. De warmtestroom van de bom is:

q_bom = C x At

Zodra de calorimeterconstante bekend is, is het berekenen van de warmtestroom een ​​eenvoudige zaak. De druk in een bomcalorimeter verandert vaak tijdens een reactie, dus de warmtestroom is mogelijk niet gelijk in grootte aan de enthalpie-verandering.