Was ist ein Bombenkalorimeter?
Das Bombenkalorimeter ist ein Laborgerät, das eine „Bombe“ oder Brennkammer enthält - normalerweise aus nicht reaktivem rostfreiem Stahl - in der eine organische Verbindung durch Verbrennen in Sauerstoff verbraucht wird. Enthalten ist eine Dewar-Flasche, die eine bestimmte Menge Wasser enthält, in die die Bombe eingetaucht ist. Die gesamte bei der Verbrennung entstehende Wärme (Q) geht in das Wasser über, dessen Temperatur (T) ansteigt, und wird sehr sorgfältig gemessen. Aus den Gewichten, Temperaturen und Geräteparametern kann eine genaue Wärme oder "Enthalpie" der Verbrennung (ΔH c ) bestimmt werden. Dieser Wert kann zur Bewertung der strukturellen Eigenschaften des verbrauchten Stoffes herangezogen werden.
Volumenexpansion wird durch die starre Bombenkonstruktion verhindert, so dass Kohlendioxid und Wasserdampf zwar bei der Verbrennung entstehen, jedoch mit konstantem Volumen (V). Da dV = 0 in der Gleichung dW = P (dV) ist, wo Arbeit W ist, wird keine Arbeit ausgeführt. Da Wärme (Q) weder eintritt noch verlässt - da sich alles in der Dewar-Flasche befindet - ist der Prozess „adiabatisch“, dQ = 0. Dies bedeutet ΔH c = C v ΔT, wobei C v die Wärmekapazität bei konstantem Volumen ist. Eine Datenanpassung ist aufgrund der Eigenschaften des Bombenkalorimeters selbst erforderlich. da ist die Wärme, die durch das Brennen der Zündschnur entsteht und die Verbrennung auslöst, und die Tatsache, dass das Bombenkalorimeter nur annähernd adiabatisch funktioniert.
Das Bombenkalorimeter hat eine Reihe von Anwendungen, einschließlich technischer und industrieller Anwendungen. In der Vergangenheit wurden im Labor Kohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoffderivate in einem Bombenkalorimeter mit dem Ziel verbrannt, Bindungsenergien zuzuweisen. Die Vorrichtung wurde auch verwendet, um theoretische Stabilisierungsenergien abzuleiten, wie die der pi-Bindung in aromatischen Verbindungen. Das Verfahren kann den Studenten im Rahmen ihres Studiums demonstriert werden, wenn es nicht von ihnen praktiziert wird. Industriell wird das Bombenkalorimeter zur Prüfung von Treib- und Sprengstoffen, zur Untersuchung von Lebensmitteln und des Stoffwechsels sowie zur Bewertung von Verbrennungs- und Treibhausgasen eingesetzt.
Wenn man das Beispiel eines aromatischen Lösungsmittels, Benzol (C 6 H 6 ), betrachtet, gibt es sechs äquivalente Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen und sechs äquivalente Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen in jedem Molekül. Ohne das Konzept der Resonanz sollten die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Benzol anscheinend unterschiedlich sein - es sollten drei Doppelbindungen und drei Einfachbindungen vorhanden sein. Benzol sollte durch die fiktive Chemikalie 1,3,5-Cyclohexatrien gut vertreten sein. Durch die Verwendung eines Bombenkalorimeters ergibt sich jedoch aus der tatsächlichen Energie der sechs gleichförmigen Bindungen für Benzol eine Energiedifferenz gegenüber dem Trien von 36 kcal / mol oder 151 kj / mol. Diese Energiedifferenz ist die Resonanzstabilisierungsenergie von Benzol.