Par John Brennan
Mis à jour le 24 mars 2022
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Pour les chimistes, quantifier la chaleur dégagée ou absorbée lors d’une réaction est essentiel. Les calorimètres sont les outils qui fournissent cette mesure, permettant une compréhension plus approfondie des mécanismes de réaction et des prédictions plus fiables.
Les calorimètres quantifient la chaleur d'une réaction. Leurs principaux inconvénients sont la perte de chaleur inévitable dans l'environnement et les gradients de température potentiels au sein de l'échantillon.
Un calorimètre enregistre le changement de température de son récipient et des réactifs. Après étalonnage, l'appareil fournit une constante calorimétrique, exprimant l'augmentation de la température par unité de chaleur ajoutée. Avec cette constante et la masse des espèces en réaction, les chimistes peuvent calculer le changement d’enthalpie du processus. Il est crucial de minimiser les pertes de chaleur dans l’environnement; sinon, les données seront faussées.
Alors qu'un simple calorimètre à tasse à café peut être construit avec deux tasses en polystyrène et un thermomètre, les laboratoires universitaires emploient des équipements plus sophistiqués. La bombe calorimétrique, par exemple, place les réactifs dans une chambre en acier scellée (la « bombe »). Une étincelle électrique enflamme le mélange et l'augmentation de température qui s'ensuit révèle la chaleur dégagée ou absorbée. Chaque conception est adaptée à des types de réactions spécifiques et à des exigences de précision.
L'étalonnage implique le transfert d'une quantité connue de chaleur dans le système. Une méthode courante est l'expérience de mélange d'eau :l'eau chaude et l'eau froide sont combinées dans le calorimètre et l'évolution de la température est enregistrée. En appliquant une régression linéaire, la température d'équilibre finale est estimée. La chaleur gagnée par l’eau froide moins la chaleur perdue par l’eau chaude est égale à la chaleur absorbée par le calorimètre. En divisant ce chiffre par le changement global de température, on obtient la constante du calorimètre, qui est ensuite utilisée pour des expériences ultérieures.
Aucun calorimètre n’est parfait. Même avec une excellente isolation, une partie de la chaleur s’échappe inévitablement dans l’environnement, introduisant ainsi des erreurs. Un mélange inégal peut créer des gradients de température, compromettant encore davantage la précision. De plus, toutes les réactions ne se prêtent pas à une étude calorimétrique. Par exemple, la décomposition rapide et à haute énergie du TNT n’est pas pratique dans un simple calorimètre à tasse à café et peut même poser des problèmes de sécurité pour un calorimètre à bombe. À l'inverse, des réactions très lentes, telles que l'oxydation du fer en rouille, génèrent des changements de température trop subtils pour une détection fiable.