Calorimetria e calorimetro: quest’ultimo consente la misurazione del calore assorbito o ceduto nel corso di una reazione chimica o nel corso di un processo fisico.
La calorimetria e, in particolare la calorimetria differenziale a scansione è un mezzo efficace per misurare le temperature dei passaggi di stato
Quando una reazione esotermica avviene in acqua sia l’acqua che il calorimetro assorbono il calore liberato dalla reazione:
calore liberato dal sistema + calore assorbito dall’acqua + calore assorbito dal calorimetro = 0
o,
qsistema = – ( qacqua + q calorimetro)
essendo qacqua = calore specifico dell’acqua x massa dell’acqua ∙ ΔT
e q calorimetro = capacità termica del calorimetro ∙ ΔT
Esercizi svolti su calorimetria e calorimetro
1) Quando 1.095 g di NaOH sono disciolti in 150.00 g di acqua in un calorimetro la temperatura dell’acqua varia da 23.50 °C a 25.32 °C. La capacità termica del calorimetro è 32.9 J/°C. Calcolare il calore sviluppato dalla dissoluzione dell’idrossido di sodio.
Tenendo conto che il calore specifico dell’acqua è 4.184 J/ g · °C si ha che il calore guadagnato dalla soluzione avente massa 150.00 + 1.095 = 151.095 g è pari a:
qsoluzione = 4.184 ∙ 151.095 ( 25.32 – 23.50) = 1150 J
Avendo assimilato il calore specifico dell’acqua con il calore specifico della soluzione.
Il calore guadagnato dal calorimetro è pari a:
qcalorimetro = ( 25.32 – 23.50) 32.9 = 59.9 J
Il calore totale è pari a 59.9 + 1150 = 1210 J = 1.21 ∙ 103 J
Il calore sviluppato dalla dissoluzione dell’idrossido di sodio è quindi – 1.21 ∙ 10-3 J
Spesso viene richiesto il calore sviluppato per mole. Convertiamo la massa di NaOH in moli:
moli di NaOH = 1.095 g/40.0 g/mol = 0.02738
il calore sviluppato dalla dissoluzione di una mole di NaOH è pari a:
– 1.21 ∙ 10-3 J / 0.02738 mol = – 44200 J/mol = – 44.2 kJ/mol
2) 50.0 g di una soluzione 0.200 M di NaBr a 23.65 °C sono posti in un calorimetro contenente 50.00 g di AgNO3 0.200 M a 23.65 °C. La capacità termica del calorimetro è 65.0 J/°C mentre quella della soluzione è 4.20 J/g°C; tenendo conto che la temperatura finale del sistema è pari a 25.40 °C calcolare il calore sviluppato dalla reazione.
Poiché : q soluzione + q calorimetro = q reazione
q soluzione = ( 50.0 + 50.0) ∙ 4.20 ( 25.40 – 23.65) = 735 J
q calorimetro = ( 25.40 – 23.65) ∙ 65.0 = 114 J
Il calore correlato alla reazione:
NaBr(aq) + AgNO3(aq) = AgBr(s) + NaNO3(aq)
è pari a 735 + 114 = 849 J
3) Il saccarosio reagisce con l’ossigeno secondo la reazione:
C12H22O11(s) + 12 O2 (g) → 12 CO2 (g) + 11 H2O(l)
Calcolare il calore sviluppato per mole di saccarosio sapendo che quando 2.75 g di saccarosio reagiscono con un eccesso di ossigeno in una bomba calorimetrica contenente 4.80 Kg di acqua la variazione di temperatura è pari a 2.01 °C. la capacità termica del calorimetro è 2540 J/°C.
Il calore assorbito dall’acqua è pari a:
qacqua = 4.184 J/g°C ∙ 4800 g ∙ 2.01 °C = 40400 J = 40.4 kJ
il calore assorbito dal calorimetro è pari a:
qcalorimetro = 2540 J/°C ∙ 2.01 °C = 5100 J = 5.10 kJ
il calore di reazione:
q reazione = – ( 40.4 + 5.10) = – 45.5 kJ
la quantità di calore sviluppata per mole di saccarosio è pari a:
( 45.5 kJ/ 2.75 g) ( 342.0 g / 1 mol C12H22O11) = 5.55 ∙103 kJ/mol