Di John Brennan
Aggiornato il 24 marzo 2022
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Per i chimici, quantificare il calore rilasciato o assorbito durante una reazione è essenziale. I calorimetri sono gli strumenti che forniscono tale misurazione, consentendo una visione più approfondita dei meccanismi di reazione e previsioni più affidabili.
I calorimetri quantificano il calore di una reazione. I loro principali svantaggi sono l'inevitabile perdita di calore nell'ambiente e potenziali gradienti di temperatura all'interno del campione.
Un calorimetro registra la variazione di temperatura sia del contenitore che dei reagenti. Dopo la calibrazione, il dispositivo fornisce una costante calorimetrica, che esprime l'aumento della temperatura per unità di calore aggiunto. Con questa costante e la massa delle specie reagenti, i chimici possono calcolare la variazione di entalpia del processo. Ridurre al minimo la perdita di calore nell’ambiente circostante è fondamentale; in caso contrario, i dati verranno distorti.
Mentre un semplice calorimetro per tazze di caffè può essere costruito con due tazze di polistirolo e un termometro, i laboratori accademici utilizzano apparecchiature più sofisticate. Il calorimetro della bomba, ad esempio, colloca i reagenti in una camera d'acciaio sigillata (la "bomba"). Una scintilla elettrica accende la miscela e il successivo aumento di temperatura rivela il calore sviluppato o assorbito. Ogni progetto è adattato a tipi di reazione e requisiti di precisione specifici.
La calibrazione comporta il trasferimento di una quantità nota di calore nel sistema. Un metodo comune è l'esperimento dell'acqua di miscelazione:l'acqua calda e fredda vengono combinate nel calorimetro e viene registrato l'andamento della temperatura. Applicando la regressione lineare, viene stimata la temperatura di equilibrio finale. Il calore acquisito dall'acqua fredda meno il calore perso dall'acqua calda è uguale al calore assorbito dal calorimetro. Dividendo questa cifra per la variazione di temperatura complessiva si ottiene la costante del calorimetro, che viene poi utilizzata per esperimenti successivi.
Nessun calorimetro è perfetto. Anche con un isolamento eccellente, una parte del calore inevitabilmente si disperde nell’ambiente, introducendo errori. Una miscelazione non uniforme può creare gradienti di temperatura, compromettendo ulteriormente la precisione. Inoltre, non tutte le reazioni sono adatte allo studio calorimetrico. Ad esempio, la decomposizione rapida e ad alta energia del TNT non è praticabile in un semplice calorimetro a tazza di caffè e potrebbe persino porre problemi di sicurezza per un calorimetro a bomba. Al contrario, reazioni molto lente, come l'ossidazione del ferro in ruggine, producono cambiamenti di temperatura troppo sottili per un rilevamento affidabile.
