Di John Brennan | Aggiornato il 30 agosto 2022

Panoramica

I calorimetri quantificano il cambiamento di calore nelle reazioni chimiche o nelle trasformazioni fisiche, come lo scioglimento del ghiaccio. Conoscere la costante del calorimetro è essenziale per convertire le variazioni di temperatura in valori energetici e per interpretare accuratamente la termodinamica della reazione. Questa guida ti illustra un metodo pratico e riproducibile per calibrare un semplice calorimetro per tazze di caffè.

Precauzioni di sicurezza

• Indossare un camice da laboratorio, occhiali protettivi e guanti.
• Non posizionare mai capelli, indumenti o materiali infiammabili vicino a fiamme libere.
• Maneggiare l'acqua calda (≈80°C) con cura per evitare ustioni.

Materiali

• Calorimetro per tazze di caffè (due tazze di polistirolo, coperchio, termometro)
• Due termometri digitali o a mercurio
• Becco Bunsen, accendino, supporto ad anello, pinza, rete metallica
• Becher asciutto da 150 ml
• Scala precisa fino a 0,01 g
• Cilindro graduato
• Software per fogli di calcolo (Excel, OpenOffice Calc)
• Calcolatrice
• Acqua (a temperatura ambiente e calda)
• Camice da laboratorio, occhiali protettivi, guanti

Procedura

1. Assemblare il calorimetro. Inserisci una tazza di polistirolo nell'altra, fissa il coperchio e posiziona un termometro nella tazza attraverso un piccolo foro nel coperchio.
2. Pesare il calorimetro vuoto. Registra la massa con l'approssimazione di 0,01 g.
3. Aggiungi 50 ml di acqua fredda. Utilizzare un cilindro graduato; il volume preciso non è critico in questa fase. Ripesare il calorimetro e calcolare la massa d'acqua dalla differenza di peso.
4. Pesare il bicchiere. Registrane la massa. Aggiungere 50 ml di acqua, pesare nuovamente e calcolare la massa dell'acqua calda.
5. Riscaldare l'acqua. Posizionare il bicchiere sulla rete metallica sopra il becco Bunsen, inserire un termometro e riscaldare delicatamente fino a ≈80°C, evitando una rapida ebollizione.
6. Mescolare il calorimetro. Utilizzando una pinza, sospendere il secondo termometro nell'acqua fredda e mescolare per quattro minuti. Registra la temperatura ogni minuto; il valore dovrebbe essere costante.
7. Trasferire l'acqua calda. Al quarto minuto, spegnere il fuoco, annotare la temperatura dell'acqua calda e versarla nel calorimetro. Riposizionare il coperchio e riprendere a mescolare.
8. Registra la temperatura. Misura la temperatura del calorimetro ogni 30 secondi per i successivi cinque minuti.
9. Analizza i dati. Importa i dati di tempo e temperatura in un foglio di calcolo. Tracciare le temperature post-miscelazione (escludere i punti di pre-miscelazione) e tracciare una linea di tendenza lineare.
10. Estrapolare la temperatura finale. Utilizzare la linea di adattamento migliore per stimare la temperatura a 5 minuti (Tf).
11. Calcola le variazioni di temperatura.
    • Variazione dell'acqua calda (ΔTh) =temperatura iniziale dell'acqua calda – Tf.
    • Variazione dell'acqua fredda (ΔTc) =Tf – temperatura iniziale dell'acqua fredda.
12. Calcola le variazioni di energia.
    • Energia persa dall'acqua calda:Qh =m_h × 4.184Jg⁻¹°C⁻¹ × ΔTh.
    • Energia guadagnata dall'acqua fredda:Qc =m_c × 4.184Jg⁻¹°C⁻¹ × ΔTc.
13. Determinare l'energia del calorimetro. Q_cal =Qh – Qc.
14. Calcola la costante. C_cal =Q_cal /ΔTc. Il risultato, espresso in J°C⁻¹, è la costante calorimetrica.

Note importanti

• La costante dovrebbe essere positiva; un valore negativo indica un errore procedurale.
• Ripeti la calibrazione più volte e calcola la media dei risultati per ridurre al minimo l'errore casuale.
• Riporta la media finale ±2σ, dove σ è la deviazione standard delle prove.

Riferimenti

• Atkins, P. e Jones, L. (2008). Principi chimici:alla ricerca dell'intuizione, 4a edizione .
• Berniolles, S. (2011). Manuale di laboratorio di chimica 7L .