Door John Brennan
Bijgewerkt op 24 maart 2022

Yurko_Gud/iStock/GettyImages

Voor scheikundigen is het kwantificeren van de warmte die vrijkomt of wordt geabsorbeerd tijdens een reactie essentieel. Calorimeters zijn de hulpmiddelen die deze meting mogelijk maken, waardoor dieper inzicht in reactiemechanismen en betrouwbaardere voorspellingen mogelijk worden.

TL;DR

Calorimeters kwantificeren de warmte van een reactie. Hun belangrijkste nadelen zijn onvermijdelijk warmteverlies naar de omgeving en mogelijke temperatuurgradiënten in het monster.

De functies van een calorimeter

Een calorimeter registreert de temperatuurverandering van zowel de container als de reactanten. Na kalibratie levert het apparaat een calorimeterconstante op, die aangeeft hoeveel de temperatuur stijgt per toegevoegde eenheid warmte. Met deze constante en de massa van de reagerende soorten kunnen scheikundigen de enthalpieverandering van het proces berekenen. Het minimaliseren van warmteverlies naar de omgeving is cruciaal; anders zullen de gegevens vertekend zijn.

Verschillende soorten calorimeters

Terwijl een eenvoudige calorimeter voor koffiekopjes kan worden gebouwd met twee piepschuimbekers en een thermometer, gebruiken academische laboratoria meer geavanceerde apparatuur. De bomcalorimeter plaatst de reactanten bijvoorbeeld in een afgesloten stalen kamer (de ‘bom’). Een elektrische vonk ontsteekt het mengsel, en de daaropvolgende temperatuurstijging onthult de ontwikkelde of geabsorbeerde warmte. Elk ontwerp is afgestemd op specifieke reactietypen en nauwkeurigheidseisen.

Kalibratie van een calorimeter

Bij kalibratie wordt een bekende hoeveelheid warmte naar het systeem overgebracht. Een veelgebruikte methode is het mengwaterexperiment:warm en koud water worden gecombineerd in de calorimeter en het temperatuurverloop wordt geregistreerd. Door lineaire regressie toe te passen wordt de uiteindelijke evenwichtstemperatuur geschat. De warmte die door het koude water wordt gewonnen minus de warmte die door het warme water verloren gaat, is gelijk aan de warmte die door de calorimeter wordt geabsorbeerd. Als je dit cijfer deelt door de totale temperatuurverandering, krijg je de calorimeterconstante, die vervolgens wordt gebruikt voor volgende experimenten.

Beperkingen van calorimetrie

Geen enkele calorimeter is perfect. Zelfs met een uitstekende isolatie ontsnapt er onvermijdelijk een deel van de warmte naar de omgeving, waardoor er fouten ontstaan. Ongelijkmatig mengen kan temperatuurgradiënten veroorzaken, waardoor de nauwkeurigheid verder in gevaar komt. Bovendien zijn niet alle reacties geschikt voor calorimetrisch onderzoek. De snelle, hoogenergetische ontleding van TNT is bijvoorbeeld onpraktisch in een eenvoudige koffiekopjescalorimeter en kan zelfs veiligheidsrisico's opleveren voor een bomcalorimeter. Omgekeerd zorgen zeer langzame reacties, zoals de oxidatie van ijzer tot roest, voor temperatuurveranderingen die te subtiel zijn voor betrouwbare detectie.