Forståelse af kalorimetre:Hvordan de måler varme og deres vigtigste begrænsninger

Af John Brennan
Opdateret 24. marts 2022

Yurko_Gud/iStock/GettyImages

For kemikere er det vigtigt at kvantificere den varme, der frigives eller absorberes under en reaktion. Kalorimetre er værktøjerne, der giver den måling, hvilket muliggør en dybere indsigt i reaktionsmekanismer og mere pålidelige forudsigelser.

TL;DR

Kalorimetre kvantificerer varmen fra en reaktion. Deres største ulemper er uundgåeligt varmetab til miljøet og potentielle temperaturgradienter i prøven.

Et kalorimeters funktioner

Et kalorimeter registrerer temperaturændringen af både dens beholder og reaktanterne. Efter kalibrering giver enheden en kalorimeterkonstant, der udtrykker, hvor meget temperaturen stiger pr. tilført varmeenhed. Med denne konstant og massen af ​​de reagerende arter kan kemikere beregne entalpiændringen af ​​processen. Minimering af varmetab til omgivelserne er afgørende; ellers vil dataene blive skæve.

Forskellige typer kalorimetre

Mens et simpelt kaffekopkalorimeter kan bygges med to Styrofoam-kopper og et termometer, anvender akademiske laboratorier mere sofistikeret udstyr. Bombekalorimeteret placerer for eksempel reaktanterne i et forseglet stålkammer ("bomben"). En elektrisk gnist antænder blandingen, og den efterfølgende temperaturstigning afslører varmen, der udvikles eller absorberes. Hvert design er skræddersyet til specifikke reaktionstyper og krav til nøjagtighed.

Kalibrering af et kalorimeter

Kalibrering involverer at overføre en kendt mængde varme ind i systemet. En almindelig metode er blandingsvand-eksperimentet:varmt og koldt vand kombineres i kalorimeteret, og temperaturudviklingen registreres. Ved at anvende lineær regression estimeres den endelige ligevægtstemperatur. Varmen opnået af det kolde vand minus den varme tabt af det varme vand er lig med den varme, der absorberes af kalorimeteret. Ved at dividere dette tal med den samlede temperaturændring får man kalorimeterkonstanten, som derefter bruges til efterfølgende eksperimenter.

Begrænsninger af kalorimetri

Intet kalorimeter er perfekt. Selv med fremragende isolering slipper noget varme uundgåeligt ud til miljøet, hvilket medfører fejl. Ujævn blanding kan skabe temperaturgradienter, hvilket yderligere kompromitterer nøjagtigheden. Desuden er ikke alle reaktioner egnede til kalorimetrisk undersøgelse. For eksempel er den hurtige, højenergi-nedbrydning af TNT upraktisk i et simpelt kaffekopkalorimeter og kan endda udgøre sikkerhedsproblemer for et bombekalorimeter. Omvendt giver meget langsomme reaktioner, såsom oxidation af jern til rust, temperaturændringer, der er for subtile til pålidelig detektion.