Tasse à café et calorimétrie à la bombe

Un calorimètre est un appareil utilisé pour mesurer la quantité de flux de chaleur dans une réaction chimique. Deux des types de calorimètres les plus courants sont le calorimètre à tasse de café et le calorimètre à bombe.

Calorimètre à tasse de café

Un calorimètre pour tasse à café est essentiellement une tasse en polystyrène (polystyrène) avec un couvercle. Le gobelet est partiellement rempli d'un volume d'eau connu et un thermomètre est inséré à travers le couvercle du gobelet de sorte que son bulbe se trouve sous la surface de l'eau. Lorsqu'une réaction chimique se produit dans le calorimètre de la tasse à café, la chaleur de la réaction est absorbée par l'eau. Le changement de température de l'eau est utilisé pour calculer la quantité de chaleur qui a été absorbée (utilisée pour fabriquer des produits, donc la température de l'eau diminue) ou évoluée (perdue dans l'eau, donc sa température augmente) dans la réaction.

Le flux de chaleur est calculé en utilisant la relation:

q = (chaleur spécifique) x m x Δt

Où q est le flux de chaleur, m est la masse en grammes et Δt est le changement de température. La chaleur spécifique est la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de 1 gramme d'une substance de 1 degré Celsius. La chaleur spécifique de l'eau est de 4,18 J / (g · ° C).

Par exemple, considérons une réaction chimique qui se produit dans 200 grammes d'eau avec une température initiale de 25,0 C. La réaction est autorisée à se dérouler dans le calorimètre à tasse de café. À la suite de la réaction, la température de l'eau passe à 31,0 C. Le flux de chaleur est calculé:

q_l'eau = 4,18 J / (g · ° C) x 200 g x (31,0 C - 25,0 C)

q_l'eau = +5,0 x 10³ J

Les produits de la réaction ont dégagé 5 000 J de chaleur, qui a été perdue dans l'eau. Le changement d'enthalpie, ΔH, pour la réaction est de magnitude égale mais opposé en signe au flux thermique de l'eau:

ΔH_réaction = - (q_l'eau)

Rappelons que pour une réaction exothermique, ΔH < 0, q_l'eau est positif. L'eau absorbe la chaleur de la réaction et une augmentation de la température est observée. Pour une réaction endothermique, ΔH> 0, q_l'eau est négatif. L'eau fournit de la chaleur pour la réaction et une baisse de température est observée.

Calorimètre à bombe

Un calorimètre à tasse de café est idéal pour mesurer le flux de chaleur dans une solution, mais il ne peut pas être utilisé pour des réactions impliquant des gaz car ils s'échapperaient de la tasse. Le calorimètre à tasse de café ne peut pas non plus être utilisé pour des réactions à haute température, car ils feraient fondre la tasse. Un calorimètre à bombe est utilisé pour mesurer les flux de chaleur pour les gaz et les réactions à haute température.

Un calorimètre à bombe fonctionne de la même manière qu'un calorimètre à tasse de café, avec une grande différence: dans un calorimètre à tasse de café, la réaction a lieu dans l'eau, tandis que dans un calorimètre à bombe, la réaction a lieu dans un récipient métallique scellé, qui est placé dans l'eau dans un récipient isotherme. Le flux de chaleur de la réaction traverse les parois du récipient scellé vers l'eau. La différence de température de l'eau est mesurée, comme c'était le cas pour un calorimètre à tasse de café. L'analyse du flux de chaleur est un peu plus complexe qu'elle ne l'était pour le calorimètre à tasse de café car le flux de chaleur dans les parties métalliques du calorimètre doit être pris en compte:

q_réaction = - (q_l'eau + q_bombe)

où q_l'eau = 4,18 J / (g · ° C) x m_l'eau x Δt

La bombe a une masse fixe et une chaleur spécifique. La masse de la bombe multipliée par sa chaleur spécifique est parfois appelée constante calorimétrique, désignée par le symbole C avec des unités de joules par degré Celsius. La constante du calorimètre est déterminée expérimentalement et variera d'un calorimètre au suivant. Le flux de chaleur de la bombe est:

q_bombe = C x Δt

Une fois la constante du calorimètre connue, le calcul du flux de chaleur est simple. La pression à l'intérieur d'un calorimètre à bombe change souvent au cours d'une réaction, de sorte que le flux de chaleur peut ne pas être égal en magnitude au changement d'enthalpie.