17.7: Калориметрія

Свого часу калорії в продуктах вимірювали за допомогою калориметра бомби. Зважена кількість їжі буде поміщена в калориметр, а потім система була герметична і заповнена киснем. Електрична іскра запалила харчово-кисневу суміш. Кількість тепла, що виділяється при спалюванні їжі, дало уявлення про калорії, присутні в їжі. Сьогодні калорії розраховуються з білкової, вуглеводної, жирності їжі (все визначається хімічним аналізом).

Калориметрія

Калориметрія - це вимірювання передачі тепла в систему або з неї під час хімічної реакції або фізичного процесу. Калориметр - це ізольована ємність, яка використовується для вимірювання теплових змін. Більшість реакцій, які можна проаналізувати в експерименті з калориметрії, є або рідинами, або водними розчинами. Часто використовуваний і недорогий калориметр - це набір вкладених пінопластових чашок, оснащених кришкою для обмеження теплообміну між рідиною в чашці і повітрям в оточенні (див. Малюнок нижче). У типовому експерименті з калориметрії конкретні обсяги реагентів розливаються в окремі ємності і вимірюється температура кожного. Потім вони змішуються в калориметр, який запускає реакцію. Суміш реагентів перемішують до завершення реакції, при цьому температура реакції безперервно контролюється.

Малюнок$\PageIndex{1}$: Простий калориметр постійного тиску. (КУБ.СМ ПО-НК; К-12)

Ключем до всіх експериментів з калориметрії є припущення про відсутність теплообміну між ізольованим калориметром і приміщенням. Розглянемо випадок реакції, що відбувається між водними реагентами: вода, в якій були розчинені тверді речовини, - це оточення, тоді як розчинені речовини - це система. Зміна температури, яка вимірюється, - це зміна температури, яка відбувається в оточенні. Якщо температура води збільшується в міру протікання реакції, реакція екзотермічна. Тепло виділялося системою в навколишню воду. Ендотермічна реакція поглинає тепло з навколишнього середовища, тому температура води знижується, оскільки тепло залишає навколишнє середовище, щоб потрапити в систему.

Зміна температури води вимірюється в експерименті, і питома теплота води може бути використана для розрахунку тепла, поглиненого навколишнім середовищем$\left( q_\text{surr} \right)$.

$$q_\text{surr} = m \times c_p \times \Delta T\nonumber$$

У рівнянні,$m$ це маса води,$c_p$ це питома теплоємність води, і$\Delta T$ є$T_f - T_i$. Тепло, поглинене навколишнім середовищем, дорівнює, але протилежне за знаком теплоті, що виділяється системою. Оскільки зміна тепла визначається при постійному тиску, тепло, що$\left( q_\text{sys} \right)$ виділяється системою, дорівнює зміні ентальпії$\left( \Delta H \right)$.

$$q_\text{sys} = \Delta H = -q_\text{surr} = - \left( m \times c_p \times \Delta T \right)\nonumber$$

$\Delta H$Ознака позитивний для ендотермічної реакції і негативний для екзотермічної реакції.

Приклад$\PageIndex{1}$

В експерименті,$25.0 \: \text{mL}$ з$1.00 \: \text{M} \: \ce{HCl}$ at$25.0^\text{o} \text{C}$ додається до$25.0 \: \text{mL}$$1.00 \: \text{M} \: \ce{NaOH}$ at$25.0^\text{o} \text{C}$ в пінопластовій чашці калориметра. Відбувається реакція і температура підвищується до$32.0^\text{o} \text{C}$. Обчисліть зміну$\left( \Delta H \right)$ ентальпії$\text{kJ}$ для цієї реакції. Припустимо, щільності розчинів є$1.00 \: \text{g/mL}$ і що їх питома теплота така ж, як у води.

Рішення

Крок 1: Перерахуйте відомі величини та плануйте проблему.

Відомий

• $c_p = 4.18 \: \text{J/g}^\text{o} \text{C}$
• $V_\text{final} = 25.0 \: \text{mL} + 25.0 \: \text{mL} = 50.0 \: \text{mL}$
• $\Delta T = 32.0^\text{o} \text{C} - 25.0^\text{o} \text{C} = 7.0^\text{o} \text{C}$
• Щільність$= 1.00 \: \text{g/mL}$

Невідомий

Обсяг і щільність можна використовувати для знаходження маси розчину після замішування. Потім обчислити зміну ентальпії за допомогою$\Delta H = q_\text{sys} = -q_\text{surr} = - \left( m \times c_p \times \Delta T \right)$.

Крок 2: Вирішіть.

$$\begin{align*} m &= 50.0 \: \text{mL} \times \frac{1.00 \: \text{g}}{\text{mL}} = 50.0 \: \text{g} \\ \Delta H &= - \left( m \times c_p \times \Delta T \right) = - \left( 50.0 \: \text{g} \times 4.18 \: \text{J/g}^\text{o} \text{C} \times 7.0^\text{o} \text{C} \right) = -1463 \: \text{J} = -1.5 \: \text{kJ} \end{align*}\nonumber$$

Крок 3: Подумайте про результат.

Зміна ентальпії негативна, оскільки реакція виділяє тепло в навколишнє середовище, що призводить до підвищення температури води.

Резюме

• Калориметрія - це вимірювання передачі тепла в систему або з неї під час хімічної реакції або фізичного процесу.
• Калориметр - це ізольована ємність, яка використовується для вимірювання теплових змін.
• Проілюстровано розрахунки, пов'язані зі змінами ентальпії.