Calorimétrie tasse et café

Calorimétrie tasse et café

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

Calorimètre de tasse à café

Un calorimètre de tasse à café est essentiellement une tasse en polystyrène (polystyrène) avec un couvercle. La tasse est partiellement remplie d'un volume d'eau connu et un thermomètre est inséré à travers le couvercle de la tasse 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. La variation de la température de l’eau sert à calculer la quantité de chaleur absorbée (utilisée pour fabriquer des produits, réduisant ainsi la température de l’eau) ou produite (perdue par l’eau, augmentant ainsi sa température) 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 d'un gramme d'une substance à un 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 peut se dérouler dans le calorimètre de tasse à café. À la suite de la réaction, la température de l'eau passe à 31,0 ° C. Le flux de chaleur est calculé:

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

ql'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 de signe opposé au flux de chaleur de l'eau:

ΔHréaction = - (ql'eau)

Rappelons que pour une réaction exothermique, ΔH <0, ql'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, ql'eau est négatif. L'eau fournit de la chaleur pour la réaction et une diminution de la température est observée.

Calorimètre de bombe

Un calorimètre de tasse à 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'échappent de la tasse. Le calorimètre de tasse à café ne peut pas non plus être utilisé pour des réactions à haute température, car il ferait fondre la tasse. Un calorimètre à bombe est utilisé pour mesurer les flux de chaleur des gaz et les réactions à haute température.

Un calorimètre à bombe fonctionne de la même manière qu'un calorimètre à tasse à café, avec une grande différence: dans un calorimètre à tasse à café, la réaction a lieu dans l'eau, tandis que dans un calorimètre à bombe, la réaction a lieu dans un récipient en métal scellé, qui est placé dans l'eau dans un récipient isolé. 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, exactement comme pour un calorimètre à tasse à café. L'analyse du flux de chaleur est un peu plus complexe que pour le calorimètre de tasse à café car le flux de chaleur dans les parties métalliques du calorimètre doit être pris en compte:

qréaction = - (ql'eau + qbombe)

où ql'eau = 4,18 J / (g · ° C) x ml'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 de calorimètre, indiquée par le symbole C avec des unités de joules par degré Celsius. La constante de calorimètre est déterminée expérimentalement et variera d’un calorimètre à l’autre. Le flux de chaleur de la bombe est:

qbombe = C x Δt

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