En kalorimeter är en anordning som används för att mäta mängden värmeflöde i en kemisk reaktion. Två av de vanligaste typerna av kalorimetrar är kaffekoppskalorimeter och bombkalorimeter.
Kaffekoppskalorimeter
En kaffekopp kalorimeter är väsentligen en polystyren (Styrofoam) kopp med lock. Koppen är delvis fylld med en känd vattenvolym och en termometer införs genom locket på koppen så att dess glödlampa är under vattenytan. När en kemisk reaktion inträffar i kaffekoppskalorimetern, absorberas reaktionsvärmen av vattnet. Förändringen i vattentemperatur används för att beräkna mängden värme som har absorberats (används för att göra produkter, så vattentemperaturen sjunker) eller utvecklas (förloras i vattnet, så att dess temperatur ökar) i reaktion.
Värmeflödet beräknas med hjälp av relationen:
q = (specifik värme) x m x Δt
Där q är värmeflöde, är m massa i gram, och ist är förändringen i temperatur. Den specifika värmen är den mängd värme som krävs för att höja temperaturen på 1 gram av ett ämne 1 grad Celsius. Den specifika vattenvärmen är 4,18 J / (g · ° C).
Tänk till exempel på en kemisk reaktion som inträffar i 200 gram vatten med en initial temperatur på 25,0 C. Reaktionen får fortsätta i kaffekoppskalorimetern. Som ett resultat av reaktionen ändras vattnets temperatur till 31,0 C. Värmeflödet beräknas:
qvatten = 4,18 J / (g · ° C) x 200 g x (31,0 C - 25,0 C)
qvatten = +5,0 x 103 J
Produkterna från reaktionen utvecklades 5 000 J värme, vilket förlorades i vattnet. De entalpi förändring, ΔH, för reaktionen är lika stor i storlek men motsatt i tecken på värmeflödet för vattnet:
AHreaktion = - (qvatten)
Kom ihåg att för en exoterm reaktion, ΔH <0, qvatten är positivt. Vattnet absorberar värme från reaktionen och en temperaturökning ses. För en endoterm reaktion, ΔH> 0, qvatten är negativ. Vattnet tillför värme för reaktionen och en minskning av temperaturen ses.
Bomb Calorimeter
En kaffekoppskalorimeter är bra för att mäta värmeflödet i en lösning, men den kan inte användas för reaktioner som involverar gaser eftersom de skulle fly från koppen. Kaffekoppskalorimetern kan inte heller användas för högtemperaturreaktioner eftersom de skulle smälta koppen. En bombkalorimeter används för att mäta värmeströmmar för gaser och högtemperaturreaktioner.
En bombkalorimeter fungerar på samma sätt som en kaffekoppskalorimeter, med en stor skillnad: I en kaffekoppskalorimeter sker reaktionen i vattnet, medan i en bombkalorimeter, sker reaktionen i en förseglad metallbehållare, som placeras i vattnet i en isolerad behållare. Värmeflöde från reaktionen korsar väggarna i den förseglade behållaren till vattnet. Vattenens temperaturskillnad mäts, precis som för en kaffekoppskalorimeter. Analys av värmeflödet är lite mer komplex än det var för kaffekoppskalorimetern eftersom värmeflödet till metalldelarna på kalorimetern måste beaktas:
qreaktion = - (qvatten + qbomba)
där qvatten = 4,18 J / (g · ° C) x mvatten x Δt
Bomben har en fast massa och specifik värme. Bombens massa multiplicerad med dess specifika värme benämns ibland kalorimeterkonstanten, betecknad med symbolen C med enheter av joule per grad Celsius. Kalorimeterkonstanten bestäms experimentellt och kommer att variera från en kalorimeter till nästa. De värmeflöde av bomben är:
qbomba = C x Δt
När kalorimeterkonstanten väl är känd, är beräkning av värmeflöde en enkel fråga. Trycket i en bombkalorimeter ändras ofta under en reaktion, så värmeflödet kanske inte är lika stort i förhållande till entalpinförändringen.