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Calorimetria

  |   Chimica Fisica, Termodinamica

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.

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 Fe2O3 che 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 qam quella che il sistema cede come calore all’ambiente, le due quantità saranno correlate  da q = – qam

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 viene 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= – qam

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 Ccal :
qcal = CcalΔT

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 :
Ccal = qcal/ 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

qcal  = Ccal · ΔT = 9.52 kJ/°C · 5.2 °C = + 50 kJ

poichè qcal = – 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 :

Ccal = qcal/ 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 qcal = Ccal  ΔT

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

 

 

 

 

 

 

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