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6.8:

Konstantdruck-Kalorimetrie

JoVE Core
Chemistry
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Constant Pressure Calorimetry

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Für eine chemische Reaktion, die unter konstantem Druck durchgeführt wird, wie den atmosphärischen Druck, wird die Wärme die während des Prozesses ausgetauscht wird, gemessen als die Änderung der Enthalpie Delta H.Die Enthalpieänderung für die Reaktion manifestiert sich als eine Temperaturänderung, die mit einer Technik namens Kalorimetrie gemessen wird. Bei der Kalorimetrie wird die Reaktion in einem versiegelten und kalibrierten Behälter ausgeführt, der als Kalorimeter bezeichnet wird. Das Kalorimeter ist gut isoliert und verhindert jeden Wärmefluss zwischen sich selbst und seiner Umgebung.Somit kann der Wärmeaustausch zwischen den Reaktanten und den Produkten die das System bilden und das Kalorimeter welches die Umgebung ausmacht kann genau berechnet werden, durch das Messen der nachfolgenden Temperaturänderungen im Kalorimeter. Wenn die Reaktion exothermisch ist, fließt Wärme aus dem System in die Umgebung, und die Temperatur steigt an. Umgekehrt, wenn die Reaktion endothermisch ist, strömt die Wärme aus der Umgebung in das System, wodurch die Temperatur des Kalorimeters sinkt.Ein einfaches Kaffeebecher-Kalorimeter misst die Änderung in der Enthalpie in einer Lösung auftretenden Reaktion, unter konstanten Druckbedingungen. Das Kalorimeter besteht aus zwei Styroporkaffeebechern, ineinander verschachtelt und ist mit einem Thermometer und einem Rührer ausgestattet. Das Kalorimeter wird mit einem locker sitzenden Korkdeckel verschlossen, dies ist zur Aufrechterhaltung eines konstanten Drucks, der offen zur Atmosphäre ist.Angenommen das, 50, 0 Milliliter von jeweils 1, 0 molarer wässrigen Salzsäure und 1, 0 molarem wässrigem Kaliumhydroxid, innerhalb des Kalorimeters reagieren, um die Temperatur der Lösung um 6, 9 Grad Celsius zu erhöhen. Die von der Lösung absorbierten Wärme q Lösung ist gleich seiner spezifischen Wärme, Cs, 4, 18 Joule/die gleiche wie die des Wassers multipliziert mit seiner Gesamtmasse, m 100, 0 Gramm, und der Temperaturänderung. Die Wärme der Lösung beträgt das 2, 9-fache zehn hoch 3 Joule oder 2, 9 Kilojoule.Die Wärme der Reaktion q Reaktion hat den gleichen Wert, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen. Weil der Druck konstant ist, ist die Enthalpieänderung gleich der Reaktionswärme. Um die Enthalpieänderung der Reaktion pro Mol zu finden, wird die Enthalpie durch die Anzahl der Salzsäure-Mole geteilt.Die Mole der Salzsäure werden berechnet durch die Multiplikation des Volumens in Litern 0, 05 Liter mit der Molarität von 1 Molar. Daher ergibt das negativ 2, 9 Kilojoule geteilt durch 0, 050 Mol negativ 58 Kilojoule/mol.

6.8:

Konstantdruck-Kalorimetrie

Calorimetry is a technique used to measure the amount of heat involved in a chemical or physical process or to measure the heat transferred to or from a substance. The heat is exchanged with a calibrated and insulated device called the calorimeter. Calorimetry experiments are based on the assumption that there is no heat exchange between the insulated calorimeter and the external environment. The well-insulated calorimeters prevent the transfer of heat between the calorimeter and its external environment, which effectively limits the “surroundings” to the nonsystem components within the calorimeter (and the calorimeter itself). This enables the accurate determination of the heat involved in chemical processes, such as the energy content of foods. 

The temperature change measured by the calorimeter is used to derive the amount of heat transferred by the process under study. In a calorimeter, a system is defined as the substance or substances undergoing the chemical or physical change, or in other words, the reaction, and the surroundings are all other matter, including the solution and any other components in the calorimeter that either provide heat to the system or absorb heat from the system.

Before discussing the calorimetry of chemical reactions, consider a simpler example that illustrates the core idea behind calorimetry. Suppose a hot piece of metal at a high-temperature is placed in a low-temperature substance, such as cool water. Heat will flow from the hot metal to the water. The temperature of the metal will decrease, and the temperature of the water will increase until the two substances have the same temperature—that is when they reach thermal equilibrium. If this occurs in a calorimeter, all of the heat is transferred between the two substances, with no heat gained or lost by its external environment. Under these ideal circumstances, the net heat change is zero:

Eq1

This relationship can be rearranged to show that the heat gained by the metal is equal to the heat lost by substance the water:

Eq2

The magnitude of the heat (change) is, therefore, the same for both substances. The negative sign merely shows that qmetal and qwater are opposite in direction of heat flow (gain or loss), but it does not indicate the arithmetic sign of either q value (that is determined by whether the matter in question gains or loses heat, per definition). In the specific situation described, qmetal is a negative value and qwater is a positive value since heat is transferred from the metal to the water.

When using calorimetry to determine the heat involved in a chemical reaction, the same principles apply. The amount of heat absorbed by the calorimeter is often small enough that it can most often be neglected, and the calorimeter minimizes energy exchange with the outside environment. When an exothermic reaction occurs in solution in a calorimeter, the heat produced by the reaction is absorbed by the solution, which increases its temperature. When an endothermic reaction occurs, the heat required is absorbed from the thermal energy of the solution, which decreases its temperature. The temperature change (ΔT), along with the specific heat (csoln) and mass of the solution (msoln), can then be used to calculate the amount of heat (qsoln) involved in either case.

Eq3

A  simple calorimeter — called the coffee cup calorimeter — is constructed from two nested polystyrene cups closed with a loose-fitting lid. Coffee cup calorimeters are used to measure the heat of reactions that take place in solutions (mostly aqueous solutions) and involve no or very little volume change. Because energy is neither created nor destroyed during a chemical reaction, the heat produced or consumed in the reaction (the “system”), qrxn, plus the heat absorbed or lost by the solution (the “surroundings”), qsoln, must add up to zero:

Eq4

This means that the amount of heat produced or consumed in the reaction equals the amount of heat absorbed or lost by the solution:

Eq5

The coffee cup calorimeter is a constant-pressure calorimeter, and the measured heat of the reaction is equivalent to the change in enthalpy.

Eq6

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 5.2: Calorimetry.

Suggested Reading

  1. Banna, M. Salim. "A heater for constant-pressure calorimetry." Journal of Chemical Education 63, no. 11 (1986): 997.
  2. Ruekberg, Ben. "An economical, safe, and sturdy student calorimeter." Journal of Chemical Education 71, no. 4 (1994): 333.
  3. Stankus, John J., and Jennifer D. Caraway. "Replacement of coffee cup calorimeters with fabricated beaker calorimeters." Journal of Chemical Education 88, no. 12 (2011): 1730-1731.