Introduzione alla Chimica

Termini

• calorimetro a tazza da caffèun esempio di calorimetro a pressione costante.
• Adiabaticon consente alcun trasferimento di energia termica; perfettamente isolante.
• calorimetermisura la variazione di entalpia di una reazione che si verifica in soluzione, durante la quale la pressione rimane costante.

Calorimetria a pressione costante

Un calorimetro a pressione costante misura la variazione di entalpia di una reazione che si verifica in una soluzione liquida. In tal caso, la pressione gassosa sopra la soluzione rimane costante e diciamo che la reazione si verifica in condizioni di pressione costante. Il calore trasferito da / verso la soluzione in modo che la reazione si verifichi è uguale alla variazione di entalpia (\Delta H = q_P), e un calorimetro a pressione costante misura quindi questo calore di reazione. Al contrario, il volume del calorimetro di una bomba è costante, quindi non c’è lavoro pressione-volume e il calore misurato si riferisce alla variazione di energia interna (\Delta U=q_V).

Un semplice esempio di calorimetro a pressione costante è un calorimetro a tazza da caffè, che è costruito da due tazze di polistirolo annidate e un coperchio con due fori, che consente l’inserimento di un termometro e di un’asta di agitazione. La tazza interna contiene una quantità nota di un liquido, solitamente acqua, che assorbe il calore dalla reazione. Si presume che la coppa esterna sia perfettamente adiabatica, il che significa che non assorbe alcun tipo di calore. Come tale, si presume che la tazza esterna sia un isolante perfetto.

Calcolo del calore specifico

I dati raccolti durante un esperimento di calorimetria a pressione costante possono essere utilizzati per calcolare la capacità termica di una sostanza sconosciuta. Conosciamo già la nostra equazione relativa al calore (q), alla capacità termica specifica (C) e alla variazione della temperatura osservata (\Delta T):

q=mC\Delta T

Illustreremo ora come utilizzare questa equazione per calcolare la capacità termica specifica di una sostanza.

Esempio 1

Uno studente riscalda un campione di 5,0 g di un metallo sconosciuto ad una temperatura di 207 ^\CIRCCC, quindi fa cadere il campione in un calorimetro a tazza di caffè contenente 36,0 g di acqua a 25,0 ^\CIRCCC. Dopo che l’equilibrio termico è stato stabilito, la temperatura finale dell’acqua nel calorimetro è 26.0 ^ \ CIRCCC. Qual è il calore specifico del metallo sconosciuto? (Il calore specifico dell’acqua è 4.18 \frac {J} {g^\circ C})

Le pareti della tazza di caffè calorimetro si presume essere perfettamente adiabatico, quindi si può supporre che tutto il calore il metallo è stato trasferito all’acqua:

-q_{metallo}=q_{acqua}

Sostituendo nella nostra equazione, si ottiene:

-m_{metallo}C_{metallo} \Delta T_{metallo}=m_{acqua}C_{acqua}\Delta T_{acqua}

Quindi possiamo collegare il nostro valori noti:

-(5.0\;g)C_{metallo}(26.0^\circ C-207^\circ C)=(36.0\;g)(4.18\; \frac {J}{g^\circ C})(26.0^\circ C-25.0^\circ C)

Risolvendo per C_{metal}, otteniamo

C_{metal}=0.166\; \frac {J} {g^\circ C}

La capacità termica specifica del metallo sconosciuto è 0.166 \frac {J} {g ^\circ C} .

Esempio 2

Per determinare l’entalpia standard di reazione H+(aq) + OH–(aq) → H2O(l), volumi uguali di 0,1 M di soluzioni di HCl e NaOH può essere combinato inizialmente alla temperatura di 25°C.

Questo processo è esotermico e, come risultato, una certa quantità di calore qP saranno rilasciati in soluzione. Il numero di joule di calore rilasciato in ogni grammo della soluzione è calcolato dal prodotto dell’aumento della temperatura e della capacità termica specifica dell’acqua (supponendo che la soluzione sia sufficientemente diluita in modo che la sua capacità termica specifica sia la stessa di quella dell’acqua pura). La quantità totale di calore trasferito può quindi essere calcolata moltiplicando il risultato con la massa della soluzione.

\Delta H=q_P = m_{sol’n}C_{water} \Delta T_{sol’n}

Si noti che ΔH = qP perché il processo viene eseguito a pressione costante.