Un calorimetro è un dispositivo utilizzato per misurare la quantità di flusso di calore in una reazione chimica. Due dei più comuni tipi di calorimetri sono il calorimetro a tazza di caffè e il calorimetro a bomba.
Calorimetro a tazza di caffè
Una tazza di caffè calorimetro è essenzialmente una tazza di polistirolo (polistirolo) con coperchio. La tazza è parzialmente riempita con un volume d'acqua noto e un termometro viene inserito attraverso il coperchio della tazza in modo che il suo bulbo si trovi al di sotto della superficie dell'acqua. Quando si verifica una reazione chimica nel calorimetro della tazza di caffè, il calore della reazione viene assorbito dall'acqua. La variazione della temperatura dell'acqua viene utilizzata per calcolare la quantità di calore che è stata assorbita (utilizzata per produrre prodotti, quindi la temperatura dell'acqua diminuisce) o si è evoluto (perso per l'acqua, quindi la sua temperatura aumenta) nel reazione.
Il flusso di calore viene calcolato utilizzando la relazione:
q = (calore specifico) x m x Δt
Dove q è il flusso di calore, m è massa in grammie Δt è la variazione di temperatura. Il calore specifico è la quantità di calore richiesta per aumentare la temperatura di 1 grammo di una sostanza di 1 grado Celsius. Il calore specifico dell'acqua è di 4,18 J / (g · ° C).
Ad esempio, si consideri una reazione chimica che si verifica in 200 grammi di acqua con una temperatura iniziale di 25,0 C. La reazione può procedere nel calorimetro della tazza di caffè. Come risultato della reazione, la temperatura dell'acqua cambia a 31,0 C. Il flusso di calore viene calcolato:
qacqua = 4,18 J / (g · ° C) x 200 g x (31,0 C - 25,0 C)
qacqua = +5,0 x 103 J
I prodotti della reazione hanno evoluto 5.000 J di calore, che è stato perso con l'acqua. Il cambiamento di entalpia, ΔH, per la reazione è uguale in grandezza ma opposto in segno al flusso di calore per l'acqua:
AHreazione = - (qacqua)
Ricordiamo che per una reazione esotermica, ΔH <0, qacqua è positivo. L'acqua assorbe il calore dalla reazione e si osserva un aumento della temperatura. Per una reazione endotermica, ΔH> 0, qacqua è negativo. L'acqua fornisce calore per la reazione e si osserva una diminuzione della temperatura.
Calorimetro bomba
Un calorimetro di una tazza di caffè è ottimo per misurare il flusso di calore in una soluzione, ma non può essere utilizzato per reazioni che coinvolgono gas poiché potrebbero fuoriuscire dalla tazza. Il calorimetro della tazza di caffè non può essere utilizzato nemmeno per reazioni ad alta temperatura, perché scioglierebbero la tazza. Un calorimetro a bomba viene utilizzato per misurare i flussi di calore per gas e reazioni ad alta temperatura.
Un calorimetro a bomba funziona come un calorimetro a tazza di caffè, con una grande differenza: in un calorimetro a tazza di caffè, la reazione ha luogo nell'acqua, mentre si trova in un calorimetro a bomba, la reazione avviene in un contenitore metallico sigillato, che viene posto nell'acqua in un contenitore isolato. Il flusso di calore dalla reazione attraversa le pareti del contenitore sigillato verso l'acqua. Viene misurata la differenza di temperatura dell'acqua, proprio come per un calorimetro di una tazza di caffè. L'analisi del flusso di calore è un po 'più complessa di quanto non fosse per il calorimetro della tazza di caffè perché il flusso di calore nelle parti metalliche del calorimetro deve essere preso in considerazione:
qreazione = - (qacqua + qbomba)
dove qacqua = 4,18 J / (g · ° C) x macqua x Δt
La bomba ha una massa fissa e un calore specifico. La massa della bomba moltiplicata per il suo calore specifico viene talvolta definita costante calorimetrica, indicata dal simbolo C con unità di joule per grado Celsius. La costante di calorimetro è determinata sperimentalmente e varierà da un calorimetro a quello successivo. Il flusso di calore della bomba è:
qbomba = C x Δt
Una volta che la costante calorimetro è nota, il calcolo del flusso di calore è una questione semplice. La pressione all'interno di un calorimetro a bomba cambia spesso durante una reazione, quindi il flusso di calore potrebbe non essere uguale in grandezza al cambiamento di entalpia.