Решение проблем с калориметрией

Физика > Решение проблем с калориметрией

Колориметрия – измерение количества тепла, полученного или использованного в химической реакции.

Задача обучения

• Разобраться в калориметре при помощи измерения тепла, высвобождающегося при горении.

Основные пункты

• Калориметрию применяют для вычисления объема тепла при передаче.
• Калориметр – прибор для измерения объема тепла, задействованного в химическом или физическом процессе.
• Количество тепла в реакции приравнивается к количеству тепла, поглощенного или утерянного в процессе.

Термины

• Сгорание – процесс, где взаимодействуют два химических вещества для получения тепла.
• Теплота реакции (тепловой эффект химической реакции) – перемены энтальпии в химической реакции.

Калориметр изобрели для минимизации энергообмена между системой и окружением. Это может быть простая кофейная чашка у студентов-химиков до сложных приборов. Цель калориметра – измерить количество передаваемого тепла. Измерительная часть преобразовывает тепло в определенное количество.

Чтобы применить этот метод, нужно выявить четкие границы системы и окружения. Если вы знаете показатель теплоемкости системы, а также массу, то можно вычислить количество тепла.

Калориметр – прибор для измерения количества тепла, участвующего в химическом или физическом процессе. Если поместим экзотермическую реакцию в раствор калориметра, то выделяемое тепло поглотится раствором и поднимет температурный показатель. Вычисление перемены температуры, а также удельной теплоемкости и массы помогут потом рассчитать количество участвующего тепла.

Калориметры из стаканчиков

Студенты-химики применяют простейшие калориметры из полистирольных стаканчиков. Они обеспечивают отличный теплообмен с окружающей средой.

Это типичная установка калориметра

Чтобы измерить энергию реакции с большими объемами тепла, используют иной тип калориметра – бомбовый (назван так, потому что энергетические реакции напоминают взрывы бомб). Этот прибор состоит из прочного стального контейнера с реагентами. Он погружен в воду. Образец размещают в отсек и наполняют кислородом при высоком давлении. Чтобы зажечь, используют небольшую электрическую искру.

Чтобы определить теплоемкость, калориметр нуждается в калибровке. Перемены в температуре, вызванные реакцией, используют для вычисления теплоемкости. Калибровку выполняют каждый раз, перед тем, как калориметр начнет собирать данные.

Например, нам нужно идентифицировать металл через измерение удельной теплоемкости 59.7 г металла, опущенного в кипящую воду. Затем его быстро перенесли в 60 мл воды при 22.0 °С. Финальный показатель – 28.5 °C. Теперь можно определить удельную теплоемкость металла и идентифицировать его.

Решение

Выделяемое металлом тепло выступает отрицательным значением тепла, потребляемого водой, или:

q_{металла}  = -q_воды.

В расширенной форме:

c_{металла} × m_{металла} × (T_{f,металла}– T_{i,металла}) = c_воды × m_воды × (T_f,воды – T_i,воды)

Металл окунули в кипящую воду, а его начальная температура достигала 100°C. Поэтому:

(С_{металла})(59.7 г)(28.5°C - 100°C) = (4.18 Дж/г) (60.0 г) (28.5°C - 22°C)

Выходим на:

Экспериментальная удельная теплота ближе всего стоит к меди (0.39 Дж/г°С).

---