Kaffeetasse und Bombenkalorimetrie
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Ein Kalorimeter ist ein Gerät zur Messung des Wärmestroms bei einer chemischen Reaktion. Zwei der häufigsten Arten von Kalorimetern sind das Kaffeetassenkalorimeter und das Bombenkalorimeter.
Kaffeetasse-Kalorimeter
Ein Kaffeetassenkalorimeter ist im Wesentlichen eine 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 während der Reaktion absorbiert (zur Herstellung von Produkten verwendet, sodass die Wassertemperatur abnimmt) oder entwickelt (für das Wasser verloren, sodass die Temperatur steigt) wurde.
Der Wärmestrom berechnet sich aus der Beziehung:
q = (spezifische Wärme) x m x Δt
Dabei ist q der Wärmefluss, m die Masse in Gramm und Δt 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).
Stellen Sie sich zum Beispiel eine chemische Reaktion vor, die in 200 g Wasser mit einer Anfangstemperatur von 25,0 ° C stattfindet. Die Reaktion kann im Kaffeetassenkalorimeter ablaufen. 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 × 103 J
Die Produkte der Reaktion entwickelten 5.000 J Wärme, die an das Wasser verloren ging. Die Enthalpieänderung ΔH für die Reaktion ist betragsmäßig 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 bei der Reaktion Wärme auf und es ist ein Temperaturanstieg zu beobachten. Für eine endotherme Reaktion gilt ΔH> 0, qWasser ist negativ. Das Wasser liefert Wärme für die Reaktion und eine Abnahme der Temperatur ist zu sehen.
Bombenkalorimeter
Ein Kaffeetassenkalorimeter eignet sich hervorragend zum Messen des Wärmeflusses in einer Lösung, kann jedoch nicht für Reaktionen mit Gasen verwendet werden, da diese aus der Tasse austreten würden. Das Kaffeetassenkalorimeter kann auch nicht für Hochtemperaturreaktionen verwendet werden, da diese die Tasse zum Schmelzen bringen würden. Mit einem Bombenkalorimeter werden Wärmeströme für Gase und Hochtemperaturreaktionen gemessen.
Ein Bombenkalorimeter funktioniert auf die gleiche Weise wie ein Kaffeetassenkalorimeter, mit einem großen Unterschied: In einem Kaffeetassenkalorimeter findet die Reaktion im Wasser statt, während die Reaktion in einem Bombenkalorimeter in einem verschlossenen Metallbehälter stattfindet wird in einem isolierten Behälter ins Wasser gestellt. Der Wärmestrom aus der Reaktion überquert die Wände des versiegelten Behälters zum Wasser. Der Temperaturunterschied 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) x 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. Der Wärmefluss der Bombe ist:
qBombe = C x Δt
Sobald die Kalorimeterkonstante bekannt ist, ist die Berechnung des Wärmeflusses eine einfache Angelegenheit. Der Druck in einem Bombenkalorimeter ändert sich häufig während einer Reaktion, so dass der Wärmefluss möglicherweise nicht der Größenordnung der Enthalpieänderung entspricht.
