Hvad er et kalorimeter og hvad er dets begrænsninger?

Kemikere har ofte brug for at vide, hvor meget varmeenergi en bestemt reaktion frigiver eller absorberer. Denne måling hjælper dem med at forstå mere om, hvorfor reaktionen finder sted, og hjælper dem med at komme med nyttige forudsigelser. Kalorimetre er instrumenter, der måler den mængde varme, der frigøres eller absorberes af indholdet under en reaktion. Det er let at lave et simpelt kalorimeter, men de instrumenter, der bruges i laboratorier, er typisk mere præcise.

TL; DR (for lang; læste ikke)

Kalorimetre giver dig mulighed for at måle mængden af varme i en reaktion. Deres vigtigste begrænsninger er at miste varme til miljøet og ujævn opvarmning.
Funktionerne ved et kalorimeter

Grundlæggende måler et kalorimeter ændringen i temperaturen på kalorimeteret og dets indhold. Efter kalorimeterkalibreringen vil kemneren allerede have et tal kaldet kalorimeterkonstanten, som viser hvor meget temperaturen på kalorimetret ændrer sig pr. Mængde tilsat varme. Ved hjælp af denne information og reaktantmassen kan kemneren bestemme, hvor meget varme der frigøres eller absorberes. Det er vigtigt, at kalorimeteret minimerer hastigheden for varmetab til ydersiden, da hurtigt varmetab til den omgivende luft ville skjule resultaterne.
Forskellige typer kalorimetre

Det er nemt at lave et simpelt kalorimeter selv. Du har brug for to Styrofoam kaffekopper, et termometer eller et låg. Dette kaffekopp-kalorimeter er overraskende pålideligt og er derfor et almindeligt træk ved undervisning i kemilaboratorier. Fysisk-kemi-laboratorier har mere sofistikerede instrumenter, såsom "bombekalorimeter." I disse enheder er reaktanterne i et forseglet kammer, der kaldes bomben. Når en elektrisk gnist antænder dem, hjælper ændringen i temperatur med at bestemme den tabte eller opnåede varme.
Kalibrering af et kalorimeter

For at kalibrere et kalorimeter kan du bruge en proces, der overfører en kendt mængde varme som måling af temperaturen på noget varmt og koldt vand. For eksempel kan du blande koldt og varmt vand i dit kaffekop-kalorimeter. Derefter måler du temperaturen over tid og bruger lineær regression til at beregne den "endelige temperatur" på kalorimeteret og dets indhold. Ved at trække den varme, der er opnået ved det kolde vand, fra den varme, der mistes af det varme vand, opnås den varme, der er opnået ved kalorimeteret. Opdelingen af dette tal ved temperaturændringen på kalorimetret giver dets kalorimeter konstant, som du kan bruge i andre eksperimenter.
Begrænsninger af kalorimetri

Ingen kalorimeter er perfekt, fordi det kan miste varme til omgivelserne. Selvom bomberkalorimeter i laboratorier har isolering for at minimere disse tab, er det umuligt at stoppe alt varmetab. Derudover er reaktanterne i kalorimeteret muligvis ikke blandet godt, hvilket fører til ujævn opvarmning og en anden mulig fejlkilde i dine målinger.

Bortset fra mulige fejlkilder indebærer en anden begrænsning de slags reaktioner, du kan studere. For eksempel vil du måske vide, hvordan nedbrydningen af TNT frigiver varme. Denne form for reaktion ville være umulig at studere i et kaffekop-kalorimeter og er måske ikke engang praktisk i en bombe-kalorimeter. Alternativt kan en reaktion finde sted meget langsomt, såsom oxidation af jern til dannelse af rust. Denne type reaktion ville være meget vanskelig at studere med et kalorimeter.