Calorimetria

La calorimetria è una branca della termochimica che si occupa della misurazione della quantità di calore ceduta o assorbita da una sostanza o un corpo durante processi chimici o fisici.

Pertanto la calorimetria serve a determinare la variazione di energia di un sistema misurando lo scambio termico del sistema con l'ambiente circostante

Rientra nell'esperienza comune che molte reazioni chimiche avvengono con sviluppo di calore come la combustione o la reazione della termite. Questa avviene tra Al e Fe₂O₃che genera una pioggia di scintille di ferro fuso. I processi che avvengono con produzione di calore vengono detti esotermici

Meno comuni sono i processi che avvengono con assorbimento di calore. Essi sono il gran parte processi fisici come la fusione e la vaporizzazione, ma possono essere anche di tipo chimico come la reazione tra il tiocianato di ammonio e l'idrossido di bario ottaidrato .

La reazione che avviene è la seguente :

Ba(OH)₂ · 8 H₂O (s)+ 2 NH₄SCN (s)= Ba(SCN)₂ + 2 NH₃ +10 H₂O

Mescolando i reagenti la miscela solida diviene liquida in pochi minuti e scende alla temperatura di – 25 °C.

Dal Primo Principio della termodinamica sappiamo che l'energia viene conservata pertanto l'energia che abbandona il sistema sotto forma di calore si trova nell'ambiente e viceversa.

Denotando con q l'energia fornita al sistema sotto forma di calore dall'ambiente e con q_am quella che il sistema cede come calore all'ambiente, le due quantità saranno correlate da q = – q_am

Il trasferimento di energia avviene sotto forma di calore e si misura con il calorimetro, dispositivo in cui il trasferimento dell'energia sotto forma di calore si registra tramite variazioni di temperatura. Il calorimetro più comune è il calorimetro a bomba o bomba calorimetrica. La reazione è fatta avvenire in un recipiente metallico chiuso ermeticamente (bomba) , che è immerso in acqua di cui si registra la variazione di temperatura. Nel contesto calorimetrico il pedice “am” viene sostituito da “cal” che sta per calorimetro perciò si scrive q= – q_am

Capacità termica del calorimetro

Se la reazione è esotermica, l'energia trasferita come calore al calorimetro causa un innalzamento di temperatura ΔT. Esso è proporzionale all'energia trasferita e la costante di proporzionalità è detta capacità termica del calorimetro C_cal :
q_cal = C_calΔT

La capacità termica del calorimetro è una grandezza che si misura sperimentalmente sul calorimetro.

Ad esempio, se fornendo 80.0 kJ ad un calorimetro si osserva un aumento di 8.4 °C si ha :
C_cal = q_cal/ ΔT = 80.0 kJ/ 8.4 °C = 9.52 kJ/°C.

Se nelle medesime condizioni, una reazione che si svolge nel calorimetro causa un aumento di 5.2 °C

q_cal = C_cal · ΔT = 9.52 kJ/°C · 5.2 °C = + 50 kJ

poichè q_cal = – q si ha q = – 50 kJ ovvero la reazione ha ceduto energia al calorimetro.

Un'importante applicazione : la determinazione del calore prodotto da una reazione.

Esempio

Supponiamo di sapere che una certa reazione libera 1.78 kJ all'interno di un calorimetro innalzando la temperatura dell'acqua di 3.65 °C. Nel medesimo calorimetro vengono mescolate quantità stechiometriche di HCl e NaOH provocando un aumento di temperatura di 1.26 °C si può calcolare il calore prodotto dalla reazione di neutralizzazione applicando le leggi summenzionate operando nel modo seguente :

1) Si calcola la capacità termica sui dati della prima reazione :

C_cal = q_cal/ ΔT = 1.78 kJ/ 3.65 °C = 0.488 kJ/°C

2) Il valore della capacità termica così calcolato servirà a ricavare , dall'aumento di temperatura causato dalla reazione di neutralizzazione il calore prodotto. A tale scopo servirà la stessa equazione riordinata in q_cal = C_cal ΔT

Quindi q_cal = 0.488 · 1.26 = 0.615 kJ da cui essendo q = – q_cal il calore prodotto dalla reazione è pari a -0.615 kJ ovvero la reazione è esotermica