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Umsatz und Ausbeute

Was bedeuten Umsatz und Ausbeute in der Chemie? Hier erfährst du, was Umsatz und Ausbeute in der Chemie bedeuten. Der Umsatz zeigt die umgesetzte Menge an, während die Ausbeute die gebildete Menge angibt. Du lernst, wie man die Ausbeute erhöhen kann und wie man mehrstufige Synthesen berechnet. Bist du neugierig geworden? All das und noch viel mehr wartet auf dich im folgenden Text!

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Die Autor*innen
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André Otto
Umsatz und Ausbeute
lernst du in der Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse

Umsatz und Ausbeute Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Umsatz und Ausbeute kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe die Begriffe Umsatz und Ausbeute.

    Tipps

    Der Umsatz ist definiert als:

    Die Ausbeute ist definiert als:

    Lösung

    Die beiden Begriffe Umsatz und Ausbeute werden im chemischen Kontext häufig benutzt. Dennoch werden sie in unterschiedlichen Kontexten verwendet. Der Umsatz ist auch bekannt aus wirtschaftlichen Zusammenhängen. In der chemischen Reaktionstechnik wird der Begriff verwendet, wenn man darüber spricht, wie viel Ausgangsstoff (Edukt) tatsächlich reagiert hat. Mathematisch wird der Umsatz so ausgedrückt:

    $\frac{\text{umgesetzte Menge}}{\text{eingesetzte Menge}}$.

    Die Ausbeute dagegen wird in der Labortechnik verwendet und bezeichnet die Menge an Produkt in Prozent. Sie wird folgendermaßen mathematisch charakterisiert:

    $\frac{\text{isolierte Menge}}{\text{theoretische Menge}}$.

  • Beschreibe die Methoden zur Erreichung eines höheren Grades der Reinheit.

    Tipps

    Das Erhitzen lässt einen Stoff oftmals mit Sauerstoff oder anderen Stoffen der Luft reagieren, sodass neue Verunreinigungen vorliegen.

    Bei der Destillation wird der unterschiedliche Siedepunkt von Stoffen ausgenutzt, um sie zu trennen.

    Lösung

    Es gibt verschiedene Möglichkeiten im Labor einen Stoff zu reinigen, um eine höhere Ausbeute an Reinstoff zu erlangen. Es ist wichtig, dass die Stoffe rein sind, da bei mehrstufigen Synthesen ein verunreinigter Stoff nicht korrekt reagieren könnte. Als erste Möglichkeit kann man die Stoffe mittels Destillation trennen. Hierbei werden die unterschiedlichen Siedetemperaturen ausgenutzt, um die Stoffe zu trennen. Die zweite Möglichkeit ist die sogenannte Säulenchromatographie, bei der mittels der Polarität der Stoffe eine Trennung stattfindet. Bei der Trocknung sollen meist Wasserreste entfernt werden, die sich noch im Produkt befinden. Beim Umkristallisieren wird der Kristall in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst, in dem sich die Verunreinigungen lösen, sodass beim Kristallisieren der Kristall reiner ist als vorher. Diese vier Möglichkeiten sind im Labor einfach zu realisieren, um die Ausbeute an Reinstoff zu erhöhen.

  • Erkläre die Möglichkeiten, den Umsatz bei der Veresterung zu steigern.

    Tipps

    Die Reaktion der Veresterung sieht folgendermaßen aus.

    Überlege, wie sich eine Gleichgewichtsreaktion beeinflussen lässt. Das Massenwirkungsgesetz beschreibt dies.

    Der Ester hat einen niedrigeren Siedepunkt als die Edukte, kann also leicht abdestilliert werden.

    Nur eine Antwort ist korrekt.

    Lösung

    Die Möglichkeiten den Umsatz bei der genannten Reaktion, die nicht vollständig abläuft, zu steigern sind begrenzt. Zuerst kann man die überschüssige Carbonsäure entfernen oder das Reaktionsprodukt des Esters entfernen, um mehr Ester zu erhalten. Hier macht man sich das bekannte Massenwirkungsgesetz zu eigen, da die Reaktion dem chemischen Gleichgewicht unterliegt. Durch die Entnahme des Esters, der einen niedrigeren Siedepunkt hat als die beiden Edukte, verschiebt sich das Gleichgewicht auf die rechte, die Produktseite. So kann also der Umsatz erhöht werden, ohne komplizierte Maßnahmen. Dasselbe passiert, wenn man die Carbonsäure im Überschuss vorlegt.

  • Berechne die Ausbeute bei der Synthese von Brombenzol.

    Tipps

    Die Ausbeute berechnet sich folgendermaßen:

    Lösung

    Die vorliegende Aufgabe beschäftigt sich mit der Ausbeute, welche immer in Prozent angegeben wird. Die Ausbeute ist das Maß, wie viel von der theoretisch möglichen Ausbeute tatsächlich umgesetzt wurde. Hierbei kommen eine Vielzahl Fehlerquellen ins Spiel, da oft Produkt in Reaktionsgefäßen oder ähnlichem zurückbleibt. Die erforderte Rechnung an dieser Stelle lautet:

    $\frac{ \text{isolierte Menge}}{\text{theoretische Menge}}$.

    Eingesetzt lautet der Term:

    $\frac { 80,3kg }{ 165,85kg }$. Das Ergebnis lautet 48,41%. Die Einheit Kilogramm kürzt sich insgesamt heraus.

  • Benenne mögliche Gründe für eine minimierte Ausbeute.

    Tipps

    Alle Gerätschaften, in denen Chemikalien direkt gelagert werden oder in denen Chemikalien reagieren, können Produkt enthalten.

    Lösung

    Im Labor kommt es oft vor, dass der Umsatz eines Produktes durch das Verschleppen in verschiedenen Gerätschaften stetig schrumpft. Je länger die Synthese dauert, desto wahrscheinlicher ist es, dass Rückstände in den benutzten Gerätschaften verbleiben, die den Umsatz mindern. Als Beispiel war hier das Reagenzglas genannt, welches jedoch stellvertretend für die Gruppe aller Reaktionsgefäße steht. Oftmals kann man Rückstände nicht komplett entfernen oder sie bleiben noch am Spatel hängen. Ebenso bleibt durch das Filtrieren oftmals viel Produkt hängen. Auch im Kühler, beispielsweise bei einer Destillation, kann sich noch Produkt befinden,

  • Berechne die Ausbeute an Calciumcarbonat.

    Tipps

    Die Reaktionsgleichung sieht folgendermaßen aus:

    ${ { Na }_{ 2 }CO }_{ 3 }\quad +\quad { CaCl }_{ 2 }\quad \rightarrow \quad 2NaCl\quad +\quad Ca{ CO }_{ 3 }$.

    Schaue zuerst, wie die Stoffmengenverhältnisse von Natrium/Calciumcarbonat sind.

    Die benötigte Formel lautet:

    ${ n }_{ 1 }\quad =\quad \frac { { m }_{ 1 } }{ { m }_{ 2 } } $.

    Bezieht man nun die Stoffmengenverhältnisse ein, so kann man die Rechnung für die gesuchte Masse (m) durchführen.

    Lösung

    Als Erstes schaut man sich die Reaktionsgleichung an, um daraus die Stoffmengenverhältnisse zu entnehmen, die man für die anschließende Berechnung benötigt. Es ergibt sich nun:

    $\frac {n_{\text{Natriumcarbonat}}}{n_{\text{Calciumcarbonat}}} \quad =\quad 1mol/1mol\quad =\quad 1$.

    Das bedeutet, dass ich in die klassische Formel ${ n }_{ 1 }\quad =\quad \frac { { m }_{ 1 } }{ { m }_{ 2 } } $ einfach nur einsetzen muss. Da die Stoffmengen gleich sind, kann ich also schreiben:

    $\frac { { m }_{\text{Calciumcarbonat}} }{ { M }_{\text{Calciumcarbonat}}} \quad =\quad \frac { { m }_{\text{Natriumcarbonat} } }{ { M }_{\text{ Natriumcarbonat}} } $.

    Hier setze ich also die Werte für die molare Masse (M) ein und stelle die Gleichung nach ${ m }_{\text{Calciumcarbonat}}$ um, sodass sich der berechnete Wert von 94,43g ergibt.