Химикам часто нужно знать, сколько тепловой энергии выделяет или поглощает конкретная реакция. Это измерение помогает им лучше понять, почему происходит реакция, и помогает им делать полезные прогнозы. Калориметры - это приборы, которые измеряют количество тепла, выделяемое или поглощаемое содержимым во время реакции. Сделать простой калориметр легко, но инструменты, используемые в лабораториях, как правило, более точные.

Функции калориметра

По сути, калориметр измеряет изменение температуры калориметра и его содержимого. После калибровки калориметра у химика уже будет число, называемое постоянной калориметра, которое показывает, насколько температура калориметра изменяется на количество добавляемого тепла. Используя эту информацию и массу реагентов, химик может определить, сколько тепла выделяется или поглощается. Важно, чтобы калориметр сводил к минимуму скорость потери тепла наружу, так как быстрая потеря тепла в окружающем воздухе исказила бы результаты.

Различные типы калориметров

Легко сделать простой калориметр самостоятельно. Вам нужны две кофейные чашки из пенопласта, термометр или крышка. Этот калориметр с чашками для кофе удивительно надежен и, следовательно, является общей чертой студенческих химических лабораторий. Лаборатории физической химии имеют более сложные приборы, такие как «калориметры бомб». В этих устройствах реагенты находятся в герметичной камере, называемой бомбой. После того, как электрическая искра зажигает их, изменение температуры помогает определить потерянное или полученное тепло.

Калибровка калориметра

Для калибровки калориметра вы можете использовать процесс, который передает известное количество тепла, например, измерение температуры горячей и холодной воды. Например, вы можете смешивать холодную и горячую воду в своем калориметре. Затем вы измеряете температуру во времени и используете линейную регрессию для расчета «конечной температуры» калориметра и его содержимого. Вычитая тепло, получаемое холодной водой из тепла, потерянного горячей водой, получаем тепло, полученное калориметром. Разделив эту цифру на изменение температуры калориметра, вы получите постоянную калориметра, которую вы можете использовать в других экспериментах.

Ограничения калориметрии

Ни один калориметр не идеален, потому что он может терять тепло в окружающую среду. Хотя бомбовые калориметры в лабораториях имеют изоляцию, чтобы минимизировать эти потери, невозможно остановить все потери тепла. Кроме того, реагенты в калориметре могут быть неправильно смешаны, что приводит к неравномерному нагреву и другому возможному источнику ошибок в ваших измерениях.

Помимо возможных источников ошибок, еще одним ограничением являются виды реакций, которые вы можете изучать. Например, вы можете узнать, как при разложении тротила выделяется тепло. Такого рода реакцию невозможно было бы изучить на калориметре с кофейной чашкой, а на калориметре с бомбой он даже не практичен. Альтернативно, реакция может протекать очень медленно, например, окисление железа с образованием ржавчины. Такую реакцию было бы очень трудно изучить с помощью калориметра.