Back to chapter

6.9:

Sabit Hacim Kalorimetrisi

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

Languages

Share

Bir reaksiyonun iç enerjisindeki değişim, delta E, hem ısı, q hem de iş w’nin toplamıdır. Isıyı sıcaklık değişimleriyle ölçmek basit olsa da, hacimdeki değişiklikler yoluyla basınç-hacim tipi işin ölçülmesi kolay değildir. Gaz halindeki kimyasal reaksiyonlar için, hacmin değişmesine izin verilmiyorsa, delta V sıfıra eşittir ve dolayısıyla w sıfır olacaktır.Böylece reaksiyonun iç enerji değişimi, transfer edilen ısıya tam olarak eşit olacaktır. Sabit hacim koşulları altında, bir reaksiyonda aktarılan ısı, bir bomba kalorimetresi kullanılarak ölçülür. Bu, sabit basınç koşulları altında bir reaksiyonun ısısını ölçen kahve fincanı kalorimetresinden farklıdır.Bir bomba kalorimetresinde, 0, 512 gram naftalin paslanmaz çelik bir hazne içine yerleştirilir. Bir giriş aracılığıyla ateşleme bobini numune ile temas edecek şekilde yerleştirilir. Hazne daha sonra oksijenle doldurulur ve bilinen bir su kütlesi ile doldurulmuş yalıtılmış bir kaba daldırılır.Reaktanı elektrikle ateşlemek hazne içindeki yanma reaksiyonunu başlatır. Açığa çıkan ısı, su ve kalorimetre tertibatının hepsi birlikte çevreyi oluşturan çeşitli bileşenleri tarafından emilir. Bu, sıcaklığın 6, 42 Santigrat derece artmasına neden olur.Tüm kalorimetre düzeneği tarafından emilen ısı, q kalori, ısı kapasitesi, C kalori, sıcaklık değişimi, delta T ile çarpılır. C kalori için deneysel olarak belirlenen değer Santigrat derece başına 3, 20 kilojoule ise, bunu ve delta T değerini denklemde yerlerine koyarsak kalorimetrenin ısısını 20, 5 kilojul olarak buluruz. Kalorimetre tarafından kazanılan ısı, reaksiyonda ortaya çıkan ısıya tam olarak eşittir.Hazne kapatılır, reaksiyon sabit bir hacimde gerçekleşir ve yapılan iş sıfırdır. Bu nedenle, reaksiyonun ısısı, iç enerji değişimine, eksi 20, 5 kilojoule’e eşittir. Bu değer 0, 512 gram naftalin içindeki mol sayısına bölünür.naftalin molü başına iç enerjideki değişimi verir, bu da mol başına eksi 5140 kilojoule’dur.

6.9:

Sabit Hacim Kalorimetrisi

Kalorimetreler, bir kimyasal reaksiyon tarafından açığa çıkan veya absorblanan ısıyı belirlemek için kullanılır. Kahve fincanı kalorimetreleri, sabit (atmosferik) basınçta çalışmak üzere tasarlanmıştır ve sabit basınçta çözelti içinde meydana gelen süreçlere eşlik eden ısı akışını (veya entalpi değişimini) ölçmek için kullanılır. Sabit hacimde çalışan ve halk arasında bomba kalorimetresi olarak bilinen farklı bir kalorimetre türü, yanma reaksiyonları gibi büyük miktarlarda ısı ve gaz açığa çıkaran reaksiyonlarla üretilen enerjiyi ölçmek için kullanılır. (“Bomba” terimi, bu reaksiyonların diğer kalorimetrelere zarar verecek patlamalara benzeyecek kadar güçlü olabileceği gözleminden gelir.) 

Termodinamiğin birinci yasası, bir reaksiyonun iç enerjisindeki (ΔE) değişimin, ısı (q) ve işin (w) toplamı olduğunu ileri sürer. 

Eq1

Gaz reaksiyonlarda, yapılan iş basınç-hacim tipindedir, dolayısıyla reaksiyon hacminde değişikliklere neden olur. 

Eq1

Bomba kalorimetreleri, reaksiyon hacminin değişmesine izin verilmeyecek şekilde sabit hacimde çalışmak üzere tasarlanmıştır (ΔV = 0). 

Eq1

Bu nedenle, yapılan iş sıfırdır ve bir bomba kalorimetresi kullanılarak ölçülen ısı (qv), reaksiyonun iç enerjisindeki değişime eşdeğerdir.

Eq1

Bir bomba kalorimetresi, reaktanları içeren ve kendisi suya batırılmış sağlam bir çelik kaptan oluşur. Numune, daha sonra yüksek basınçta oksijenle doldurulan bombaya yerleştirilir. Numuneyi tutuşturmak için küçük bir elektrik kıvılcımı kullanılır. Reaksiyonun ürettiği enerji, çelik bomba ve çevresindeki su tarafından emilir. Sıcaklık artışı (ΔT) ölçülür ve kalorimetrenin (Ccal) bilinen ısı kapasitesi ile birlikte tüm kalorimetre tertibatı (qcal) tarafından emilen ısıyı hesaplamak için kullanılır. 

Eq1

Kalorimetre yalıtılmış olduğundan ve ortama ısı kaybı olmadığından, kalorimetrenin kazandığı ısı, reaksiyonun açığa çıkardığı ısıya eşittir.

Eq1

Sabit hacim koşulları nedeniyle, reaksiyondan oluşan ısı, iç enerji değişimine karşılık gelir.

Eq1

Bu, yanmaya uğrayan belirli miktarda reaktan için iç enerji değişimidir. Belirli bir reaktantın mol başına ΔErxn değeri, gerçekte reaksiyona girenlerin mol sayısına bölünmesiyle elde edilir.

Kalorimetrenin ısı kapasitesini belirlemek ve doğru sonuçlar elde etmek için bomba kalorimetreleri kalibrasyon gerektirir. Kalorimetreyi kalibre edebilmek için öncelikle yanma ısısı belli bir madde kullanılır. Bilinen reaksiyonun ürettiği sıcaklık değişimi, kalorimetrenin ısı kapasitesini belirlemek için kullanılır. Kalibrasyon genellikle, araştırma verilerini toplamak için kalorimetre kullanılmadan önce her seferinde gerçekleştirilir.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 5.2: Calorimetry.

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.