Back to chapter

6.9:

Calorimetria a volume costante

JoVE Core
Chemistry
This content is Free Access.
JoVE Core Chemistry
Constant Volume Calorimetry

Languages

Share

La variazione nell’energia interna di una reazione, delta E, è la somma sia del calore, q, sia del lavoro, w. Sebbene sia semplice misurare il calore attraverso i cambiamenti di temperatura, misurare il tipo di lavoro pressione-volume attraverso i cambiamenti di volume è scomodo. Per le reazioni chimiche gassose, se il volume non può cambiare, allora delta V è uguale a zero e, di conseguenza, w sarà zero.Pertanto, la variazione di energia interna della reazione sarà esattamente uguale al calore trasferito. In condizioni di volume costante, il calore trasferito in una reazione viene misurato utilizzando un calorimetro a bombola. Questo è diverso dal calorimetro a tazza di caffè, che misura il calore di una reazione in condizioni di pressione costante.Nel calorimetro a bombola, 0, 512 grammi di naftalene vengono posti in una bombola di acciaio inossidabile. Attraverso un ingresso, la bobina di accensione è posta a contatto con il campione. La bombola viene quindi riempita di ossigeno e immersa in un contenitore isolato, pieno di una massa d’acqua nota.L’accensione elettrica del reagente avvia la reazione di combustione all’interno della bombola. Il calore sprigionato viene assorbito dall’acqua e dai vari componenti del gruppo calorimetrico, che insieme costituiscono l’ambiente circostante. Questo fa aumentare la temperatura di 6, 42 gradi Celsius.Il calore assorbito dall’intero gruppo calorimetro, q cal, è uguale alla sua capacità termica, C cal, moltiplicato per la variazione di temperatura, delta T.Se il valore determinato sperimentalmente per C cal è 3, 20 kilojoule per grado centigrado, sostituendolo, insieme al valore per delta T, si ottiene che il calore del calorimetro è di 20, 5 kilojoule. Il calore guadagnato dal calorimetro è esattamente uguale al calore rilasciato dalla reazione. La bombola viene sigillata, la reazione avviene a volume costante e il lavoro è zero.Pertanto, il calore della reazione è uguale alla sua variazione di energia interna, 20, 5 kilojoule negativi. Dividendo questo valore per il numero di moli in 0, 512 grammi di naftalene. 3, 99 per 10 rispetto a 3 moli negative, dà la variazione dell’energia interna per mole di naftalene, che è negativa di 5140 kilojoule per mole.

6.9:

Calorimetria a volume costante

I calorimetri sono utili per determinare il calore rilasciato o assorbito da una reazione chimica. I calorimetri a tazza di caffè sono progettati per funzionare a pressione costante (atmosferica) e sono convenienti per misurare il flusso di calore (o il cambiamento di entalpia) che accompagnano i processi che si verificano in soluzione a pressione costante. Un diverso tipo di calorimetro che opera a volume costante, colloquialmente noto come calorimetro a bomba, viene utilizzato per misurare l’energia prodotta dalle reazioni che producono grandi quantità di calore e prodotti gassosi, come le reazioni di combustione. (Il termine “bomba” deriva dall’osservazione che queste reazioni possono essere abbastanza vigorose da assomigliare a esplosioni che danneggerebbe altri calorimetri.)

La prima legge della termodinamica suggerisce che il cambiamento nell’energia interna (ΔE) di una reazione è la somma del calore (q) e del lavoro (w).

Eq1

Nelle reazioni gassose, il lavoro svolto è di tipo pressione-volume, con conseguente cambiamento nel volume della reazione.

Eq1

I calorimetri bomba sono progettati per funzionare a volume costante, in modo che il volume della reazione non possa cambiare (ΔV = 0).

Eq1

Pertanto, il lavoro svolto è zero, e il calore (qv) misurato usando un calorimetro bomba è equivalente al cambiamento nell’energia interna della reazione.

Eq1

Un calorimetro bomba è costituito da un robusto contenitore di acciaio che contiene i reagenti ed è esso stesso immerso nell’acqua. Il campione viene posto nella bomba, che viene poi riempita di ossigeno ad alta pressione. Una piccola scintilla elettrica viene utilizzata per accendere il campione. L’energia prodotta dalla reazione viene assorbita dalla bomba d’acciaio e dall’acqua circostante. L’aumento di temperatura (ΔT) viene misurato e, insieme alla capacità termica nota del calorimetro (Ccal), viene utilizzato per calcolare il calore assorbito dall’intero gruppo calorimetrico (qcal).

Eq1

Poiché il calorimetro è isolato e non si perde calore nell’ambiente, il calore guadagnato dal calorimetro equivale al calore rilasciato dalla reazione.

Eq1

A causa delle condizioni di volume costante, il calore evoluto nella reazione corrisponde al cambiamento di energia interno.

Eq1

Questo è il cambiamento energetico interno per la quantità specifica di reagente in fase di combustione. ΔErxn per mole di un particolare reagente si ottiene dividendo il valore per il numero di talpe che hanno effettivamente reagito.

I calorimetri a bomba richiedono la calibrazione per determinare la capacità termica del calorimetro e garantire risultati accurati. La calibrazione viene eseguita utilizzando una reazione con una q nota, come una quantità misurata di acido benzoico accesa da una scintilla da un filo di fusibile di nichel che viene pesato prima e dopo la reazione. Il cambiamento di temperatura prodotto dalla reazione nota viene utilizzato per determinare la capacità termica del calorimetro. La calibrazione viene generalmente eseguita ogni volta prima che il calorimetro sia utilizzato per raccogliere dati di ricerca.

Questo testo è adattato da Openstax, Chimica 2e, Sezione 5.2: Calorimetria.

Suggested Reading

  1. Hornyak, Frederick M. "A flashbulb bomb calorimeter." Journal of Chemical Education 38, no. 2 (1961): 97.
  2. Watkins, Geo B. "Total Carbon in Coal Determined by Analysis of Gas from Bomb Calorimeter." Industrial & Engineering Chemistry 19, no. 9 (1927): 1052-1054.
  3. Olney, David J. "Bomb calorimeter simulation." (1990): 922.