Dział chemii, który bada efekty cieplne towarzyszące reakcjom chemicznym w oparciu o zasady termodynamiki, to termochemiatermochemiatermochemia. Opisuje zmiany energii zachodzące podczas reakcji chemicznych. Można wtedy zauważyć, że niektóre z reakcji wydzielają dużą ilość energii (np. reakcja magnezu z kwasem solnym), inne z kolei nie zajdą bez dostarczenia określonej jej ilości. Energia wymieniana jest między układem a otoczeniem.

UkładukładUkład to wyodrębniona część we wszechświecie, która jest przedmiotem badań i obserwacji. Przykładem układu może być szampon w butelce, woda z lodem, balon z gazem lub kolbka, w której zachodzi reakcja. Otoczeniem jest wszystko to, co nie jest układem. Stan układu można opisać za pomocą wielkości fizycznych (np. ciśnienie, temperatura, objętość). Ze względu na sposób wymiany energii przez układ z otoczeniem, można wyróżnić trzy rodzaje układów, które zostały przedstawione na mapie myśli.

Efekt energetyczny towarzyszy każdej reakcji chemicznej. To wielkość charakterystyczna dla danej reakcji. Efekt energetyczny jest definiowany jako ilość energii przekazanej z otoczenia do układu lub z układu do otoczenia. Ze względu na rodzaj efektu energetycznego, reakcje chemiczne dzielą się na dwa rodzaje:

• w reakcjach egzoenergetycznych energia jest uwalniana do otoczenia w dowolnej postaci;

• w reakcjach endoenergetycznych energia jest pochłaniana z otoczenia.

Do obliczenia przekazanej energii należy wykorzystać zmianę temperatury. Aby to obliczenie wykonać, potrzebna jest znajomość pojemności cieplnej ($C$). Pojemność cieplna jest to ilość ciepła, jaka jest niezbędna do zmiany temperatury ciała o jednostkę temperatury. Korzystając z poniższego wzoru, można obliczyć wartość pojemności cieplnej.

gdzie:

• $C$ – pojemność cieplna [$\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{K}}$];

• $q$ – ciepło dostarczone [$\mathrm{J}$];

• $\Delta T$ – zmiana temperatury [$\mathrm{K}$].

Oznaczanie ciepła reakcji chemicznych można wykonać doświadczalnie przy pomocy kalorymetrukalorymetrkalorymetru. Jest to izolowane naczynie, napełnione cieczą o wyznaczonej pojemności cieplnej, np. woda, alkohol, amoniak. Budowa prostego kalorymetru została przedstawiona poniżej.

Kalorymetr jest kalibrowany przez pomiar przyrostu temperatury i wywołany reakcją chemiczną, której efekt cieplny jest znany. Aby możliwe było uzyskanie poprawnych wyników w kalorymetrze, powinna przebiegać tylko jedna reakcja (ta, której ciepło jest mierzone). Jeśli zachodzą równocześnie inne reakcje – należy znać ich wartość ciepła. Trudno jest np. dokonać pomiaru ciepła, stosując kalorymetr dla reakcji:

ponieważ równocześnie przebiega reakcja:

więc po reakcji zostaje mieszanina $\mathrm{CO}$ i ${\text{CO}}_2$ oraz możliwa zawartość ${\text{O}}_2$.

Można wyróżnić kilka typów kalorymetru. Najprostszym jest kalorymetr diatermiczny. Straty ciepła do otoczenia są ograniczone tylko częściowo. Można go stosować do pomiaru ciepła bardzo szybkich reakcji o dużym efekcie cieplnym. W tym kalorymetrze płaszcz zewnętrzny, posiadający stałą temperaturę i dużą pojemność cieplną, jest odizolowany warstwą powietrza lub próżnią od właściwego naczynia kalorymetrycznego. Inny typ to kalorymetr adiabatyczny, stosowany w reakcjach, w których efekt cieplny jest niewielki, a reakcja przebiega wolno. W tym kalorymetrze wymiana ciepła z otoczeniem jest wyeliminowana. Naczynie kalorymetryczne jest otoczone płaszczem wodnym o temperaturze równej temperaturze naczynia. Do pomiaru ilości ciepła może również służyć, bardziej skomplikowana w budowie od kalorymetru, bomba kalorymetryczna. Poniżej przedstawiono na ilustracji kalorymetr z bombą kalorymetryczną.

Rj5wD4SAZncTM

Ilustracja przedstawia kalorymetr z 1801 roku wraz z jego przekrojem. To pojemnik o grubych ścianach, zbudowany z kilku warstw. Ma kształt lejka. W dolnej części znajduje się zawór. Pod nim naczynie. Jedno z naczyń ma postać podłużnego sitka. Na górze kalorymetr ma założoną pokrywę z kilkoma przegródkami i siatką przypominającą filtr. Kalorymetr stoi na nóżkach.

Bomba kalorymetryczna to pojemnik o grubych stalowych ścianach, szczelnie zamknięty. Badaną próbkę umieszcza się w kąpieli wodnej, przepuszcza się przez nią prąd elektryczny, który zapala próbkę. Wydzielone podczas tej reakcji ciepło podwyższa temperaturę całego pojemnika. Należy zmierzyć przyrost temperatury, a  z wykorzystaniem pojemności cieplnej można obliczyć ciepło wydzielone w reakcji chemicznej.

Efekt cieplny przeprowadzanej reakcji w kalorymetrze jest mierzony dokładnym termometrem. Ciepło podczas reakcji, np.: neutralizacji kwasu zasadą, przenoszone jest na ciecz znajdującą się wewnątrz kalorymetru, co zmienia jej temperaturę. Ciepło reakcji oblicza się, mnożąc przyrost temperatury przez pojemność cieplną kalorymetru.

Słownik

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemical Principles: The Quest for Insight, 5th Edition, New York 2009.

Atkins P., de Paula J., Chemia fizyczna, Warszawa 2015.

Atkins P., Podstawy chemii fizycznej, Warszawa 1999.