Les chimistes ont souvent besoin de savoir quelle quantité d’énergie thermique est libérée ou absorbée par une réaction particulière. Cette mesure les aide à mieux comprendre pourquoi la réaction se produit et à faire des prédictions utiles. Les calorimètres sont des instruments qui mesurent la quantité de chaleur libérée ou absorbée par le contenu pendant une réaction. Il est facile de fabriquer un calorimètre simple, bien que les instruments utilisés dans les laboratoires soient généralement plus précis.
Sommaire de cette fiche pratique
Fonction
Fondamentalement, un calorimètre mesure le changement de température du calorimètre et de son contenu. Si le calorimètre a été étalonné, le chimiste aura déjà un numéro appelé constante calorimétrique, qui lui indique dans quelle mesure la température du calorimètre change par quantité de chaleur ajoutée. À l’aide de cette information et de la masse des réactifs, le chimiste peut déterminer la quantité de chaleur libérée ou absorbée. Il est important que le calorimètre minimise le taux de perte de chaleur vers l’extérieur, car une perte de chaleur rapide vers l’air ambiant fausserait les résultats.
Types
Vous n’avez besoin que de deux tasses à café en styromousse, d’un thermomètre ou d’un couvercle. Ce calorimètre à tasse à café est étonnamment fiable et est donc une caractéristique commune aux laboratoires de chimie de premier cycle. Des instruments plus sophistiqués se trouvent dans les laboratoires de physico-chimie, où les chimistes utilisent des « calorimètres à bombes ». Dans ces dispositifs, les réactifs sont isolés dans une chambre scellée appelée bombe ; une étincelle électrique les enflamme et le changement de température peut être utilisé pour déterminer la chaleur perdue ou gagnée.
Etalonnage
Pour étalonner un calorimètre, vous utilisez un procédé qui transfère une quantité connue de chaleur — mesurer la température de l’eau chaude et froide, par exemple, puis les mélanger dans votre calorimètre à café. Ensuite, vous mesurez la température dans le temps et utilisez la régression linéaire pour calculer la « température finale » du calorimètre et de son contenu. En soustrayant la chaleur gagnée par l’eau froide de la chaleur perdue par l’eau chaude, on obtient la chaleur gagnée par le calorimètre. En divisant ce chiffre par le changement de température du calorimètre, on obtient sa constante calorimétrique, qui peut ensuite être utilisée dans des expériences ultérieures.
Limites
Aucun calorimètre n’est parfait ; ils perdent de la chaleur dans leur environnement. Bien que les calorimètres de bombes dans les laboratoires soient isolés pour minimiser ces pertes, les pertes de chaleur ne peuvent, bien entendu, être entièrement éradiquées. De plus, les réactifs dans le calorimètre peuvent ne pas être bien mélangés, ce qui entraîne un chauffage inégal et une autre source d’erreur possible dans vos mesures.
Outre les sources d’erreur possibles, une autre limitation concerne les types de réactions que vous pouvez étudier. Vous voudrez peut-être, par exemple, connaître la quantité de chaleur dégagée par la décomposition de la TNT. Ce genre de réaction serait impossible à étudier dans un calorimètre à tasse à café ; cependant, et pourrait même ne pas être pratique dans un calorimètre à bombe. Alternativement, une réaction peut se produire très lentement – comme l’oxydation du fer pour former de la rouille. Ce type de réaction serait très difficile à étudier avec un calorimètre.
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