úvod
V lekcii Energia pri reakciách sme v jednoduchom kalorimetri zisťovali, či sa pri deji teplo uvoľní, alebo spotrebuje. Teraz ho zmeriame presne, v kilojouloch.
teória
Kalorimeter
Kalorimeter je nádoba, z ktorej teplo neuniká. Teplo z deja preto zostane v kalorimetri a zmení jeho teplotu. Z nameranej zmeny teploty vypočítame teplo:
q = C · ΔT
Tepelná kapacita kalorimetra C hovorí, koľko tepla treba na ohriatie celého kalorimetra o 1 °C (o 1 K). Keď je v kalorimetri len voda a nádoba teplo takmer nepohltí, stačí vzťah z fyziky
q = m · c · ΔT
kde c = 4,18 J/(g · °C) je merná tepelná kapacita vody.
teória
Kalorimetrická bomba
Energetická hodnota potravín a palív sa meria v kalorimetrickej bombe: v hrubostennej oceľovej nádobe naplnenej kyslíkom pod tlakom, ponorenej vo vode. Vzorka sa zapáli elektricky a zhorí celá.
Teplo však ohreje nielen vodu, ale aj oceľ, teplomer a miešadlo. Preto sa bomba najprv kalibruje: spáli sa v nej látka so známym spaľovacím teplom, najčastejšie kyselina benzoová (26,43 kJ/g). Z nameraného ΔT sa vypočíta C. Potom sa spaľujú vzorky.
vyskúšaj si
Kalorimetrická bomba
Krok 1: kalibrácia. V bombe spálime 1 g kyseliny benzoovej, ktorá uvoľní 26,43 kJ/g. Zisti, koľko tepla treba na ohriatie celého kalorimetra o 1 K.
0 / 0Vzorka: kyselina benzoová, 1 g
Čo sa meria v kalorimetri?
0 / 0Na obale potravín je energetická hodnota v kJ aj v kcal (1 kcal = 4,184 kJ). Telo z 1 g tuku získa asi 37 kJ, z 1 g cukrov alebo bielkovín asi 17 kJ.
teória
Rozpúšťacie teplo
Aj rozpúšťanie solí je dej s teplom. Hydroxid sodný a chlorid vápenatý sa rozpúšťajú exotermicky, roztok sa zohreje. Dusičnan amónny alebo dusičnan draselný endotermicky, roztok sa ochladí. Využívajú to chladiace vrecká na úrazy: po stlačení sa pretrhne priečka a soľ sa rozpustí vo vode. Ohrievacie vrecká na ruky obsahujú napríklad chlorid vápenatý alebo kryštalizujúci octan sodný.
Rozpúšťacie teplo sa udáva na 1 mol soli:
ΔH = −q : n
Mínus je tam preto, že teplo, ktoré prijala voda, sústava (rozpúšťaná soľ) odovzdala.
Zapamätaj si: kalorimeter zmeria zmenu teploty a z nej vypočítame teplo q = m · c · ΔT. Presné kalorimetre sa najprv kalibrujú látkou so známym teplom. Potraviny a palivá sa spaľujú v kalorimetrickej bombe, tuky majú asi dvakrát viac energie ako cukry. Niektoré soli sa pri rozpúšťaní zohrejú, iné ochladia.
Bomba meria ΔU
V bombe je objem stály, preto sa nekoná objemová práca a namerané teplo je ΔU. Pre reakcie, pri ktorých sa mení množstvo plynu, sa ΔH dopočíta vzťahom ΔH = ΔU + Δn(g) · R · T z predchádzajúcej lekcie. Jednoduchý kalorimeter z polystyrénových pohárov je otvorený, pracuje pri stálom tlaku a meria priamo ΔH.
Prečo sa soľ rozpúšťa s ohriatím alebo ochladením
Rozpúšťanie iónovej látky má dva kroky:
- Rozbitie kryštálovej mriežky na voľné ióny. To stojí energiu, mriežkovú energiu.
- Hydratácia iónov: molekuly vody obalia ióny. Pri tom sa energia uvoľní.
Keď hydratácia uvoľní viac energie, ako stojí mriežka, roztok sa zohreje. Keď menej, ochladí sa. Prečo sa potom dusičnan amónny vôbec rozpustí, keď na to treba teplo? Odpoveď dá entropia: ióny rozptýlené v roztoku majú oveľa viac možností usporiadania ako v kryštáli. Viac o tom v lekcii Entropia.
Neistota merania
V jednoduchom kalorimetri časť tepla unikne cez stenu a viečko a ohreje pohár aj teplomer. Výsledok preto v absolútnej hodnote vyjde o niečo menší. Je to systematická chyba, zmenšíme ju kalibráciou alebo tak, že koncovú teplotu odčítame z predĺženia krivky do okamihu zmiešania.
rozšírenie Lavoisierov ľadový kalorimeter
Prvý kalorimeter zostrojili v roku 1782 Antoine Lavoisier a Pierre-Simon Laplace. Do nádoby obloženej ľadom vložili morča a merali, koľko ľadu sa za deň roztopí od tepla jeho tela. Potom spálili uhlík tak, aby vzniklo rovnaké množstvo oxidu uhličitého ako pri dýchaní morčaťa, a ľadu sa roztopilo približne rovnako. Usúdili, že dýchanie je pomalé horenie.
teória
Časté chyby
- „Kalorimeter meria teplo.“ Meria teplotu. Teplo sa z jej zmeny vypočíta.
- „Keď teplota stúpla, ΔH je kladné.“ Naopak. Teplo sa uvoľnilo zo sústavy, ΔH je záporné.
- „Teplo ohreje len vodu.“ Ohreje celý kalorimeter. Preto sa kalibruje.
- „Rozpúšťanie je fyzikálny dej, teplo pri ňom nie je.“ Aj fyzikálne deje majú teplo, napríklad topenie, var či rozpúšťanie.
Ako sa reakčné teplo vypočíta bez merania, z tabuliek, ukáže lekcia Hessov zákon a zlučovacie teplá.