Av John Brennan
Uppdaterad 24 mars 2022
Yurko_Gud/iStock/GettyImages
För kemister är det viktigt att kvantifiera den värme som frigörs eller absorberas under en reaktion. Kalorimetrar är verktygen som ger den mätningen, vilket möjliggör djupare insikt i reaktionsmekanismer och mer tillförlitliga förutsägelser.
Kalorimetrar kvantifierar värmen från en reaktion. Deras huvudsakliga nackdelar är oundviklig värmeförlust till miljön och potentiella temperaturgradienter inom provet.
En kalorimeter registrerar temperaturförändringen av både dess behållare och reaktanterna. Efter kalibrering ger enheten en kalorimeterkonstant, som uttrycker hur mycket temperaturen stiger per enhet tillsatt värme. Med denna konstant och massan av de reagerande arterna kan kemister beräkna processens entalpiförändring. Att minimera värmeförlusten till omgivningen är avgörande; annars kommer data att skeva.
Medan en enkel kaffekoppkalorimeter kan byggas med två frigolitkoppar och en termometer, använder akademiska laboratorier mer sofistikerad utrustning. Bombkalorimetern, till exempel, placerar reaktanterna i en förseglad stålkammare ("bomben"). En elektrisk gnista antänder blandningen och den efterföljande temperaturhöjningen avslöjar värmen som utvecklas eller absorberas. Varje design är skräddarsydd för specifika reaktionstyper och krav på noggrannhet.
Kalibrering innebär att en känd mängd värme överförs till systemet. En vanlig metod är experimentet med blandningsvatten:varmt och kallt vatten kombineras i kalorimetern och temperaturutvecklingen registreras. Genom att tillämpa linjär regression uppskattas den slutliga jämviktstemperaturen. Värmen som fås av det kalla vattnet minus värmen som förloras av det varma vattnet är lika med värmen som absorberas av kalorimetern. Att dividera denna siffra med den totala temperaturförändringen ger kalorimeterkonstanten, som sedan används för efterföljande experiment.
Ingen kalorimeter är perfekt. Även med utmärkt isolering försvinner oundvikligen en del värme till miljön, vilket leder till fel. Ojämn blandning kan skapa temperaturgradienter, vilket ytterligare äventyrar noggrannheten. Dessutom är inte alla reaktioner lämpliga för kalorimetriska studier. Till exempel är den snabba sönderdelningen med hög energi av TNT opraktisk i en enkel kaffekoppkalorimeter och kan till och med utgöra säkerhetsproblem för en bombkalorimeter. Omvänt, mycket långsamma reaktioner, såsom oxidation av järn till rost, ger temperaturförändringar som är för subtila för tillförlitlig detektering.
