Spesso i chimici devono sapere quanta energia termica rilascia o assorbe una particolare reazione. Questa misurazione li aiuta a capire di più sul perché si verifica la reazione e li aiuta a fare previsioni utili. I calorimetri sono strumenti che misurano la quantità di calore rilasciato o assorbito dal contenuto durante una reazione. È facile creare un semplice calorimetro, ma gli strumenti utilizzati nei laboratori sono in genere più precisi.
TL; DR (troppo lungo; non letto)
I calorimetri consentono di misurare la quantità di calore in una reazione. I loro limiti principali sono la perdita di calore per l'ambiente e il riscaldamento irregolare.
Le funzioni di un calorimetro
Fondamentalmente, un calorimetro misura il cambiamento di temperatura del calorimetro e del suo contenuto. Dopo la calibrazione del calorimetro, il chimico avrà già un numero chiamato costante del calorimetro, che mostra quanto cambia la temperatura del calorimetro per quantità di calore aggiunto. Utilizzando queste informazioni e la massa dei reagenti, il chimico può determinare la quantità di calore rilasciata o assorbita. È importante che il calorimetro minimizzi il tasso di perdita di calore verso l'esterno, poiché una rapida perdita di calore nell'aria circostante altererebbe i risultati.
Diversi tipi di calorimetri
È facile creare da soli un semplice calorimetro. Hai bisogno di due tazze da caffè in polistirolo, un termometro o un coperchio. Questo calorimetro per tazze da caffè è sorprendentemente affidabile ed è quindi una caratteristica comune dei laboratori di chimica universitari. I laboratori di chimica fisica hanno strumenti più sofisticati come "calorimetri a bombe". In questi dispositivi, i reagenti si trovano in una camera sigillata chiamata bomba. Dopo che una scintilla elettrica li ha accesi, il cambiamento di temperatura aiuta a determinare il calore perso o guadagnato.
Calibrazione di un calorimetro
Per calibrare un calorimetro, è possibile utilizzare un processo che trasferisce una quantità nota di calore come come misurare la temperatura di acqua calda e fredda. Ad esempio, puoi mescolare acqua calda e fredda nel calorimetro della tazza di caffè. Successivamente, si misura la temperatura nel tempo e si utilizza la regressione lineare per calcolare la "temperatura finale" del calorimetro e il suo contenuto. Sottraendo il calore guadagnato dall'acqua fredda dal calore perso dall'acqua calda si ottiene il calore guadagnato dal calorimetro. Dividendo questa cifra per la variazione di temperatura del calorimetro si ottiene la sua costante calorimetrica, che è possibile utilizzare in altri esperimenti.
Limitazioni della calorimetria
Nessun calorimetro è perfetto perché può perdere calore nell'ambiente circostante. Sebbene i calorimetri a bombola nei laboratori abbiano un isolamento per minimizzare queste perdite, è impossibile fermare tutte le perdite di calore. Inoltre, i reagenti nel calorimetro potrebbero non essere ben miscelati, il che porta a un riscaldamento irregolare e un'altra possibile fonte di errore nelle misurazioni.
A parte possibili fonti di errore, un'altra limitazione riguarda i tipi di reazioni posso studiare. Ad esempio, potresti voler sapere come la decomposizione di TNT rilascia calore. Questo tipo di reazione sarebbe impossibile da studiare in un calorimetro a tazza di caffè e potrebbe anche non essere pratico in un calorimetro a bomba. In alternativa, una reazione può avvenire molto lentamente come l'ossidazione del ferro per formare ruggine. Questo tipo di reazione sarebbe molto difficile da studiare con un calorimetro.
