Back to chapter

6.9:

Calorimetrie: Constant Volume

JoVE Core
Chemistry
This content is Free Access.
JoVE Core Chemistry
Constant Volume Calorimetry

Languages

Share

De verandering in de inwendige energie van een reactie, delta E, is de som van zowel warmte, Q en arbeid, W.Hoewel het eenvoudig is om warmte te meten door middel van temperatuurveranderingen, is het meten van het druk-volume type arbeid door veranderingen in volume onhandig. Voor gasvormige chemische reacties, als het volume niet mag veranderen, dan is delta V gelijk aan nul, en bijgevolg zal W nul zijn. De inwendige energieverandering van de reactie zal dus exact gelijk zijn aan de overgedragen warmte.Bij constante volumecondities wordt de warmte die in een reactie wordt overgedragen, gemeten met een bomcalorimeter. Dit is anders dan een constante druk calorimeter, die de warmte van een reactie meet onder constante druk. In een bomcalorimeter wordt 0, 512 gram naftaleen in een roestvrijstalen bom gedaan.Via een inlaat wordt de bobine in contact gebracht met het monster. De bom wordt vervolgens gevuld met zuurstof en ondergedompeld in een geïsoleerde container gevuld met een bekende massa water. Door de reactant elektrisch te ontsteken, wordt de verbrandingsreactie in de bom geïnitieerd.De vrijkomende warmte wordt geabsorbeerd door het water en de verschillende componenten van de calorimeterconstructie, die samen de omgeving vormen. Hierdoor stijgt de temperatuur met 6, 42 graden Celsius. De warmte die wordt geabsorbeerd door de gehele calorimeterconstructie, Q cal, is gelijk aan de warmtecapaciteit, C cal, vermenigvuldigd met de temperatuurverandering, delta T.Als de experimenteel bepaalde waarde voor C cal 3, 20 kilojoule per graad Celsius is, dan geeft vervanging hiervan, samen met de waarde voor delta T, de warmte van de calorimeter als 20, 5 kilojoule.De warmte gewonnen door de calorimeter is exact gelijk aan de warmte die vrijkomt bij de reactie. De bom is verzegeld, de reactie vindt plaats bij constant volume en het werk is nul. De warmte van de reactie is dus gelijk aan de inwendige energieverandering, min 20, 5 kilojoule.Deze waarde delen door het aantal mol in 0, 512 gram naftaleen. 3, 99 keer 10 tot de min 3 molen geeft de verandering in inwendige energie per mol naftaleen, wat negatief 5140 kilojoules per mol is.

6.9:

Calorimetrie: Constant Volume

Calorimeters are useful to determine the heat released or absorbed by a chemical reaction. Coffee cup calorimeters are designed to operate at constant (atmospheric) pressure and are convenient to measure heat flow (or enthalpy change) accompanying processes that occur in solution at constant pressure. A different type of calorimeter that operates at constant volume, colloquially known as a bomb calorimeter, is used to measure the energy produced by reactions that yield large amounts of heat and gaseous products, such as combustion reactions. (The term “bomb” comes from the observation that these reactions can be vigorous enough to resemble explosions that would damage other calorimeters.) 

The first law of thermodynamics suggests that the change in internal energy (ΔE) of a reaction is the sum of heat (q) and work (w). 

Eq1

In gaseous reactions, the work done is pressure-volume type, thereby resulting in changes in the volume of the reaction. 

Eq1

Bomb calorimeters are designed to operate at constant volume, such that the volume of the reaction is not allowed to change (ΔV = 0). 

Eq1

Therefore, the work done is zero, and the heat (qv) measured using a bomb calorimeter is equivalent to the change in internal energy of the reaction.

Eq1

A bomb calorimeter consists of a robust steel container that contains the reactants and is itself submerged in water. The sample is placed in the bomb, which is then filled with oxygen at high pressure. A small electrical spark is used to ignite the sample. The energy produced by the reaction is absorbed by the steel bomb and the surrounding water. The temperature increase (ΔT) is measured and, along with the known heat capacity of the calorimeter (Ccal), is used to calculate the heat absorbed by the entire calorimeter assembly (qcal). 

Eq1

Since the calorimeter is insulated and no heat is lost to the environment, heat gained by the calorimeter equals the heat released by the reaction.

Eq1

Due to constant volume conditions, the heat evolved in the reaction corresponds to the internal energy change.

Eq1

This is the internal energy change for the specific amount of reactant undergoing combustion. ΔErxn per mole of a particular reactant is obtained by dividing the value by the number of moles that actually reacted.

Bomb calorimeters require calibration to determine the heat capacity of the calorimeter and ensure accurate results. The calibration is accomplished using a reaction with a known q, such as a measured quantity of benzoic acid ignited by a spark from a nickel fuse wire that is weighed before and after the reaction. The temperature change produced by the known reaction is used to determine the heat capacity of the calorimeter. The calibration is generally performed each time before the calorimeter is used to gather research data.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 5.2: Calorimetry.

Suggested Reading

  1. Hornyak, Frederick M. "A flashbulb bomb calorimeter." Journal of Chemical Education 38, no. 2 (1961): 97.
  2. Watkins, Geo B. "Total Carbon in Coal Determined by Analysis of Gas from Bomb Calorimeter." Industrial & Engineering Chemistry 19, no. 9 (1927): 1052-1054.
  3. Olney, David J. "Bomb calorimeter simulation." (1990): 922.