Kavos puodelis ir bombos kalorimetrija

Kalorimetras yra prietaisas, naudojamas šilumos srauto kiekiui matuoti cheminės reakcijos metu. Du iš labiausiai paplitusių kalorimetrų tipų yra kavos puodelio kalorimetras ir bombos kalorimetras.

Kavos puodelis kalorimetras iš esmės yra polistireno (polistirolo putos) puodelis su dangčiu. Puodelis iš dalies užpildytas žinomu vandens kiekiu ir per puodelio dangtelį įkišamas termometras, kad jo lemputė būtų žemiau vandens paviršiaus. Kai kavos puodelio kalorimetre įvyksta cheminė reakcija, vanduo sugeria reakcijos šilumą. Vandens temperatūros pokytis naudojamas apskaičiuojant sugertos šilumos kiekį (naudojamą šilumai gaminti) produktai, taigi vandens temperatūra mažėja) arba išsivystė (prarandamas vanduo, todėl jo temperatūra padidėja) reakcija.

Šilumos srautas apskaičiuojamas naudojant santykį:

q = (savitoji šiluma) x m x Δt

Kur q yra šilumos srautas, m yra masė gramais, o Δt - temperatūros pokytis. Savitoji šiluma yra šilumos kiekis, reikalingas 1 gramo medžiagos temperatūrai pakelti 1 laipsnį Celsijaus. Savitoji vandens šiluma yra 4,18 J / (g ° C).

Pavyzdžiui, apsvarstykite cheminę reakciją, vykstančią 200 gramų vandens, kurio pradinė temperatūra yra 25,0 C. Reakcijai leidžiama vykti pagal kavos puodelio kalorimetrą. Dėl reakcijos vandens temperatūra pasikeičia iki 31,0 C. Šilumos srautas apskaičiuojamas:

q_vandens = 4,18 J / (g ° C) x 200 g x (31,0–25,0 C)

q_vandens = +5,0 x 10³ J

Reakcijos produktai išsiskyrė 5000 J šilumos, kurią prarado vanduo. entalpijos pokytis, ΔH, jei reakcija yra lygi dydžiu, bet priešinga vandens šilumos srautui:

ΔH_reakcija = - (q_vandens)

Prisiminkite, kad esant egzoterminei reakcijai, ΔH <0, q_vandens yra teigiamas. Vanduo sugeria reakcijos šilumą ir pastebima temperatūros padidėjimas. Norėdami sukelti endoterminę reakciją, ΔH> 0, q_vandens yra neigiamas. Vanduo tiekia šilumą reakcijai ir pastebima temperatūros sumažėjimas.

Kavos puodelio kalorimetras yra puikus šilumos srauto matavimui tirpale, tačiau jo negalima naudoti esant reakcijai, kurioje dalyvauja dujos, nes jos galėtų išbėgti iš puodelio. Kavos puodelio kalorimetras taip pat negali būti naudojamas esant aukštai temperatūrai, nes jie išlydys puodelį. Bombos kalorimetras naudojamas matuoti dujų srautus ir aukštos temperatūros reakcijas.

Bombos kalorimetras veikia taip pat kaip kavos puodelio kalorimetras, tik su vienu dideliu skirtumu: kavos puodelio kalorimere reakcija vyksta vandenyje, kol vyksta bombos kalorimetras, reakcija vyksta uždarytame metaliniame inde, kuris dedamas į vandenį izoliuotame inde. Šilumos srautas iš reakcijos kerta uždaryto indo sienas iki vandens. Matuojamas vandens temperatūros skirtumas, kaip ir kavos puodelio kalorimetrui. Šilumos srauto analizė yra šiek tiek sudėtingesnė nei buvo kavos puodelio kalorimetrui, nes reikia atsižvelgti į šilumos srautą į metalines kalorimetro dalis:

q_reakcija = - (q_vandens + q_bomba)

kur q_vandens = 4,18 J / (g ° C) x m_vandens x Δt

Bomba turi fiksuotą masę ir savitą šilumą. Bombos masė, padauginta iš jos savitosios šilumos, kartais vadinama kalorimetro konstanta, žymima C simboliu, džaulių vienetais pagal Celsijaus laipsnį. Kalorimetro konstanta nustatoma eksperimentiškai ir kiekviename kalorimere ji keisis. šilumos srautas bombos yra:

q_bomba = C x Δt

Sužinojus kalorimetro konstantą, apskaičiuoti šilumos srautą yra paprasta. Bombos kalorimetro slėgis reakcijos metu dažnai kinta, todėl šilumos srautas negali būti lygus entalpijos pokyčiui.