Ein Kalorimeter ist ein Gerät zur Messung der Wärmeflussmenge bei einer chemischen Reaktion. Zwei der häufigsten Arten von Kalorimetern sind das Kaffeetassenkalorimeter und das Bombenkalorimeter.
Kaffeetasse Kalorimeter
Eine Kaffeetasse Kalorimeter ist im Wesentlichen eine Styropor (Styropor) Tasse mit einem Deckel. Der Becher ist teilweise mit einem bekannten Wasservolumen gefüllt und ein Thermometer wird durch den Deckel des Bechers eingeführt, so dass sich sein Kolben unter der Wasseroberfläche befindet. Wenn im Kaffeetassenkalorimeter eine chemische Reaktion auftritt, wird die Reaktionswärme vom Wasser absorbiert. Die Änderung der Wassertemperatur wird verwendet, um die Wärmemenge zu berechnen, die absorbiert wurde (zur Herstellung verwendet wird) Produkte, so dass die Wassertemperatur sinkt) oder sich entwickelt (verloren an das Wasser, so dass seine Temperatur steigt) in der Reaktion.
Der Wärmefluss wird unter Verwendung der Beziehung berechnet:
q = (spezifische Wärme) x m x Δt
Wo q der Wärmefluss ist, ist m
Masse in Grammund Δt ist die Temperaturänderung. Die spezifische Wärme ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur von 1 Gramm einer Substanz um 1 Grad Celsius zu erhöhen. Die spezifische Wärme von Wasser beträgt 4,18 J / (g · ° C).Betrachten Sie beispielsweise eine chemische Reaktion, die in 200 g Wasser mit einer Anfangstemperatur von 25,0 ° C auftritt. Die Reaktion wird im Kaffeetassenkalorimeter ablaufen gelassen. Infolge der Reaktion ändert sich die Temperatur des Wassers auf 31,0 ° C. Der Wärmestrom wird berechnet:
qWasser = 4,18 J / (g · ° C) × 200 g × (31,0 ° C - 25,0 ° C)
qWasser = +5,0 x 103 J.
Die Reaktionsprodukte entwickelten 5.000 J Wärme, die an das Wasser verloren ging. Das Enthalpieänderung, ΔH, denn die Reaktion ist gleich groß, aber im Vorzeichen dem Wärmefluss für das Wasser entgegengesetzt:
ΔHReaktion = - (qWasser)
Denken Sie daran, dass für eine exotherme Reaktion ΔH <0, qWasser ist positiv. Das Wasser nimmt Wärme aus der Reaktion auf und es ist ein Temperaturanstieg zu sehen. Für eine endotherme Reaktion ist ΔH> 0, qWasser ist negativ. Das Wasser liefert Wärme für die Reaktion und es ist ein Temperaturabfall zu sehen.
Bombenkalorimeter
Ein Kaffeetassenkalorimeter eignet sich hervorragend zur Messung des Wärmeflusses in einer Lösung, kann jedoch nicht für Reaktionen mit Gasen verwendet werden, da diese aus der Tasse entweichen würden. Das Kaffeetassenkalorimeter kann auch nicht für Hochtemperaturreaktionen verwendet werden, da diese die Tasse schmelzen würden. Ein Bombenkalorimeter wird verwendet, um Wärmeströme für Gase und Hochtemperaturreaktionen zu messen.
Ein Bombenkalorimeter funktioniert auf die gleiche Weise wie ein Kaffeetassenkalorimeter, mit einem großen Unterschied: In einem Kaffeetassenkalorimeter findet die Reaktion statt Im Wasser findet die Reaktion in einem Bombenkalorimeter in einem versiegelten Metallbehälter statt, der in einem isolierten Behälter ins Wasser gestellt wird. Der Wärmestrom der Reaktion fließt über die Wände des versiegelten Behälters zum Wasser. Die Temperaturdifferenz des Wassers wird wie bei einem Kaffeetassenkalorimeter gemessen. Die Analyse des Wärmeflusses ist etwas komplexer als beim Kaffeetassenkalorimeter, da der Wärmefluss in die Metallteile des Kalorimeters berücksichtigt werden muss:
qReaktion = - (qWasser + qBombe)
wo qWasser = 4,18 J / (g · ° C) × mWasser x Δt
Die Bombe hat eine feste Masse und spezifische Wärme. Die Masse der Bombe multipliziert mit ihrer spezifischen Wärme wird manchmal als Kalorimeterkonstante bezeichnet, die durch das Symbol C mit Einheiten von Joule pro Grad Celsius bezeichnet wird. Die Kalorimeterkonstante wird experimentell bestimmt und variiert von einem Kalorimeter zum nächsten. Das Wärmefluss der Bombe ist:
qBombe = C x Δt
Sobald die Kalorimeterkonstante bekannt ist, ist die Berechnung des Wärmeflusses eine einfache Sache. Der Druck innerhalb eines Bombenkalorimeters ändert sich häufig während einer Reaktion, so dass der Wärmefluss möglicherweise nicht gleich groß ist wie die Enthalpieänderung.