Einführung in die Chemie
Lernziel
- Funktionsweise eines Bombenkalorimeters beschreiben
Wichtige Punkte
- Ein Bombenkalorimeter wird verwendet, um die Änderung der inneren Energie, \ Delta U , einer Reaktion zu messen. Bei konstantem Volumen ist dies gleich qV, der Reaktionswärme.
- Das Kalorimeter hat seine eigene Wärmekapazität, die bei Berechnungen berücksichtigt werden muss.
Begriffe
- Bomb calorimeterA Bomb Calorimeter ist eine Art Kalorimeter mit konstantem Volumen, das zur Messung der Verbrennungswärme einer bestimmten Reaktion verwendet wird.
- kalorieDie Energiemenge, die benötigt wird, um die Temperatur von 1 Gramm Wasser um 1 ° C zu erhöhen. Es ist eine Nicht-SI-Energieeinheit, die ungefähr 4,18 Joule entspricht. Eine Kalorie (mit einem Großbuchstaben C) = 1000 Kalorien.
Das Bombenkalorimeter
Die Bombenkalorimetrie wird verwendet, um die Wärme zu messen, die eine Reaktion absorbiert oder freisetzt, und wird praktisch verwendet, um den Kaloriengehalt von Lebensmitteln zu messen. Ein Bombenkalorimeter ist eine Art Kalorimeter mit konstantem Volumen, das zur Messung der Verbrennungswärme einer bestimmten Reaktion verwendet wird. Wenn wir beispielsweise den Wärmegehalt einer Sushi-Rolle bestimmen möchten, möchten wir herausfinden, wie viele Kalorien sie enthält. Dazu legen wir die Sushi-Rolle in einen Behälter, der als “Bombe” bezeichnet wird, versiegeln ihn und tauchen ihn dann in das Wasser im Kalorimeter ein. Dann evakuierten wir die gesamte Luft aus der Bombe, bevor wir reines Sauerstoffgas (O2) einpumpten. Nachdem der Sauerstoff hinzugefügt wurde, würde eine Sicherung die Probe entzünden, wodurch sie verbrennt, wodurch Kohlendioxid, gasförmiges Wasser und Wärme erzeugt werden. Daher sind Bombenkalorimeter so konstruiert, dass sie den großen Drücken standhalten, die bei diesen Verbrennungsreaktionen aus den gasförmigen Produkten entstehen.
Sobald die Probe vollständig verbrannt ist, wird die bei der Reaktion freigesetzte Wärme auf das Wasser und das Kalorimeter übertragen. Die Temperaturänderung des Wassers wird mit einem Thermometer gemessen. Die Gesamtwärme, die in der Reaktion abgegeben wird, ist gleich der Wärme, die durch das Wasser und das Kalorimeter gewonnen wird:
q_{rxn}=-q_{cal}
Denken Sie daran, dass die vom Kalorimeter gewonnene Wärme die Summe der vom Wasser gewonnenen Wärme sowie des Kalorimeters selbst ist. Dies kann wie folgt ausgedrückt werden:
q_{cal}=m_{water}C_{water}\Delta T+C_{cal}\Delta T
wobei Cwater die spezifische Wärmekapazität des Wassers bezeichnet (1 \frac{cal}{g ^{\circ}C}) und Ccal die Wärmekapazität des Kalorimeters ist (typischerweise in \frac{cal}{^{\circ}C}). Daher ist es bei der Durchführung von Bombenkalorimetrieexperimenten erforderlich, das Kalorimeter zu kalibrieren, um Ccal zu bestimmen.
Da das Volumen für ein Bombenkalorimeter konstant ist, gibt es keine Druck-Volumen-Arbeit. Infolge:
ΔU=qV
wobei ΔU die Änderung der inneren Energie ist und qV die von der Reaktion absorbierte oder freigesetzte Wärme bezeichnet, gemessen unter Bedingungen konstanten Volumens. (Dieser Ausdruck wurde zuvor im Abschnitt “Innere Energie und Enthalpie” abgeleitet.) Somit hängt die von der Reaktion abgegebene Gesamtwärme mit der Änderung der inneren Energie (ΔU) zusammen, nicht mit der Änderung der Enthalpie (ΔH), die unter Bedingungen konstanten Drucks gemessen wird.
Der durch solche Experimente erzeugte Wert spiegelt nicht vollständig wider, wie unser Körper Nahrung verbrennt. Zum Beispiel können wir Ballaststoffe nicht verdauen, daher müssen die erhaltenen Werte korrigiert werden, um solche Unterschiede zwischen experimentellen (Gesamt-) und tatsächlichen Werten (was der menschliche Körper aufnehmen kann) zu berücksichtigen.
