Calorimetria e calorimetro

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,

q_sistema = – ( q_acqua + q _calorimetro)

essendo q_acqua = 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:
q_soluzione = 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:

q_calorimetro = ( 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) + AgNO_3(aq) = AgBr_(s) + NaNO_3(aq)

è pari a 735 + 114 = 849 J

3)      Il saccarosio reagisce con l’ossigeno secondo la reazione:

C₁₂H₂₂O_11(s) + 12 O_{2 (g)} → 12 CO_{2 (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:

q_acqua = 4.184 J/g°C ∙ 4800 g ∙ 2.01 °C = 40400 J = 40.4 kJ

il calore assorbito dal calorimetro è pari a:

q_calorimetro = 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