La misura del calore: la calorimetria

Rientra nell’esperienza comune che molte reazioni chimiche avvengono con sviluppo di calore come la combustione o la reazione della termite che 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 x 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 q_am quella che il sistema cede come calore all’ambiente, le due quantità saranno correlate  da q = – q_am
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 viene 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= – q_am
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 C_cal :
q_cal = C_calΔT
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 :
C_cal = q_cal/ 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
q_cal  = C_cal x ΔT = 9.52 kJ/°C x 5.2 °C = + 50 kJ
poichè q_cal = – 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.
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 :
C_cal = q_cal/ 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 q_cal = C_cal  ΔT
Quindi q_cal = 0.488 x 1.26 = 0.615 kJ da cui essendo q = – q_cal il calore prodotto dalla reazione è pari a -0.615 kJ ovvero la reazione è esotermica