Erfahren Sie, wie Sie den theoretischen Ertrag berechnen

Die theoretische Ausbeute einer chemischen Reaktion ist die maximale Produktmenge, die durch diese Reaktion aus bekannten Mengen an Reaktanten erhalten werden könnte, unter der Annahme, dass die Reaktion fortschreitet, bis der limitierende Reaktant vollständig erschöpft ist. Sie wird theoretische Ausbeute genannt, weil in der Praxis niemals die durch diese Ausbeute vorhergesagte Produktmenge erhalten wird, sondern immer eine kleinere Menge erhalten wird. Dies hat verschiedene Gründe, darunter:

• Experimentelle Fehler bei der Bestimmung von Massen und Volumina.
• Das Vorhandensein von Verunreinigungen in den Reagenzien.
• Nebenreaktionen, die auftreten können.
• Bildung chemischer Gleichgewichte.
• Vorzeitiges Abbrechen der Reaktion (was besonders bei langsamen Reaktionen problematisch ist).

Bei der Berechnung der theoretischen Ausbeute wird davon ausgegangen, dass die Reaktion irreversibel ist, also keinen Gleichgewichtszustand erreicht. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass die beteiligten Reagenzien nur über die jeweilige Reaktion reagieren und es keine andere Parallelreaktion gibt, die die Verfügbarkeit von Reagenzien verringern könnte.

Die Berechnung der theoretischen Ausbeute gehört zu den Grundfertigkeiten eines jeden Chemiestudenten und ist auch eines der häufigsten stöchiometrischen Berechnungsverfahren, denen Sie während Ihres Studiums begegnen werden.

Das limitierende Reagenz

Das Konzept des Begrenzungsreagenzes ist von zentraler Bedeutung für die Berechnung der theoretischen Ausbeute. Dieser ist definiert als der Reaktant, der in kleinsten Anteilen vorkommt, weshalb er im Verlauf einer chemischen Reaktion als erster verbraucht wird.

Da eine chemische Reaktion nicht stattfinden kann, wenn einer ihrer Reaktanten nicht vorhanden ist, stoppt die Reaktion in dem Moment, in dem der begrenzende Reaktant beendet ist. Das bedeutet, dass alle Produkte nicht mehr hergestellt und alle anderen Reaktanden nicht mehr verbraucht werden. Aus diesem Grund bestimmt das limitierende Reagenz, wie weit eine Reaktion gehen kann; sie begrenzt die Menge der herstellbaren Produkte und der verbrauchbaren Reaktanten, daher auch ihr Name.

alltägliches Beispiel für Begrenzungsreagenz

Um das Konzept des Begrenzungsreagenzes besser zu verstehen, betrachten wir die Zubereitung eines Kuchens. Diese Zubereitung könnte als chemische Reaktion betrachtet werden, bei der die Zutaten die Reaktanten sind und der Kuchen das einzige Produkt ist.

Die Zubereitung eines Kuchens erfordert eine bestimmte Anzahl von Zutaten, genauso wie eine chemische Reaktion eine bestimmte Anzahl von Molekülen jedes Reaktanten erfordert. Stellen wir uns vor, dass ein sehr einfaches Kuchenrezept 2 Tassen Mehl, 5 Eier und 1 Tasse Zucker erfordert. Dies könnte geschrieben werden als:

Stellen wir uns nun folgende Frage: Wie viele Kuchen können wir zubereiten, wenn wir beim Öffnen des Kühlschranks 30 Eier, 10 Tassen Mehl und 8 Tassen Zucker vorfinden?

Wir können dies ableiten, indem wir separat die Anzahl der Kuchen bestimmen, die wir mit jeder Zutat zubereiten könnten:

• Mit 30 Eiern könnten wir 6 Kuchen backen, da jeder 5 Eier benötigt.
• Mit 10 Tassen Mehl könnten wir 5 Kuchen backen.
• 8 Tassen Zucker reichen für 8 Kuchen

Jetzt fragen wir uns, wie viele Kuchen können wir wirklich machen, 5, 6 oder 8? Die Antwort ist natürlich 5. Der Grund dafür ist, dass wir mit der Menge Mehl, die wir haben, nicht mehr als 5 Kuchen backen können. Alle anderen Zutaten reichen für noch mehr, aber nachdem der fünfte Kuchen fertig ist, gibt es kein Mehl mehr, um einen weiteren zu machen, und es spielt keine Rolle, wie viel Zucker oder Eier wir noch haben, denn ohne diese Zutat werden wir es tun Rezept nicht nachvollziehen können.

In diesem Fall ist das Mehl die limitierende Zutat (verstanden als limitierendes Reagenz), weil es die maximale Anzahl von Kuchen, die hergestellt werden können, auf 5 begrenzt.

Übrigens, diese 5 Kuchen, die aus den Zutaten hergestellt werden können, die wir haben, würden die theoretische Ausbeute darstellen. Mit anderen Worten, wir könnten theoretisch 5 Kuchen backen, aber wenn wir dabei ein Ei aufschlagen, Zucker verschütten oder einen der Kuchen verbrennen, verringert sich die Anzahl der Kuchen, die wir tatsächlich produzieren können.

Verfahren zur Berechnung des theoretischen Ertrags

Um die theoretische Ausbeute zu berechnen, muss man von der Menge des Begrenzungsreagenzes ausgehen, da dieses Reagenz, wie oben erläutert, wenn es zuerst fertig ist, die Menge der Produkte begrenzt, die hergestellt werden können, und die Menge der anderen Reagenzien, die verbraucht werden können.

Nachfolgend finden Sie eine praktische und schnelle Möglichkeit, um zu bestimmen, welcher der limitierende Reaktant ist und welcher der Reaktanten im Überschuss ist oder sind.

Bestimmung des limitierenden Reagenzes

Es gibt mehrere Möglichkeiten, den limitierenden Reaktanten zu identifizieren. Eine Möglichkeit ist wie im Kuchenbeispiel: indem wir die Menge an Produkt bestimmen, die wir aus jeder Menge an Reaktanten erhalten können, und dann den Reaktanten auswählen, der die geringste Menge produziert. Es gibt jedoch einen anderen praktischeren und mechanischeren Weg, dies zu tun.

Per Definition ist der limitierende Reaktant derjenige, der im niedrigsten stöchiometrischen Verhältnis vorliegt. Das bedeutet, dass wir zur Identifizierung des limitierenden Reaktanten lediglich das stöchiometrische Verhältnis bestimmen müssen, in dem sich alle Reaktanten befinden, und dann das kleinste auswählen.

Die Bestimmung des stöchiometrischen Verhältnisses ist so einfach wie die Berechnung der Molzahl jedes Reaktanten und deren Division durch den stöchiometrischen Koeffizienten der ausgewogenen Reaktion.

Beispiel

Angenommen, 20 g Eisen werden mit 20 g Sauerstoffgas umgesetzt, um Eisenoxid (Fe ₂ O ₃ ) zu erzeugen. Bestimmen Sie den limitierenden Reaktanten der Reaktion. Die Molmasse von Eisen beträgt 56 g/mol, von Sauerstoffgas 32 g/mol und von Eisenoxid 160 g/mol.

Der erste Schritt besteht darin, die ausgeglichene chemische Gleichung zu schreiben, die in diesem Fall lautet:

Nun berechnen wir aus der Masse die Molzahl und dann das stöchiometrische Verhältnis. Dies kann in einer Tabelle organisiert werden, um den Prozess zu vereinfachen, insbesondere wenn zahlreiche Reagenzien vorhanden sind:

Wie man sieht, ist der Reaktant, der in diesem Fall in geringerem Anteil vorhanden ist, Eisen, also der limitierende Reaktant.

Berechnung des theoretischen Ertrags

Sobald wir wissen, was der limitierende Reaktant ist, können wir ihn verwenden, um alle anderen stöchiometrischen Berechnungen durchzuführen. Dazu gehört die Berechnung der Mengen an überschüssigen Reaktanten, die tatsächlich verbraucht werden können, also die Bestimmung, wie viel davon im Überschuss (nicht umgesetzt) ​​verbleiben, und natürlich die Berechnung der Produktmengen, die verbraucht werden können, das heißt die Theoretischer Ertrag.

Alle diese Berechnungen werden unter Verwendung der verschiedenen stöchiometrischen Beziehungen durchgeführt, die zwischen dem begrenzenden Reagenz und jeder der anderen an der Reaktion beteiligten Substanzen hergestellt werden können.

Es sollte beachtet werden, dass, wenn eine Reaktion mehr als ein Produkt erzeugt, es eine Ausbeute für jedes der Produkte gibt, aber nicht für alle Produkte als Ganzes.

Beispiel

In Fortsetzung des vorherigen Beispiels wollen wir nun berechnen, wie viel (in Gramm) Eisenoxid aus 20 g Eisen und 20 g Sauerstoffgas hergestellt werden kann.

Was gefragt ist, ist die Bestimmung der Produktmenge, die bei gegebenen Mengen an Reaktanten hergestellt werden kann, was Sie also berechnen möchten, ist die theoretische Ausbeute der Reaktion. Im vorherigen Beispiel haben wir festgestellt, dass das limitierende Reagenz in diesem Fall Eisen ist, also wird die Menge an Eisenoxid daraus bestimmt. Das bedeutet, dass die Berechnung mit der Menge an Eisen beginnt und mit einer Menge an Eisenoxid endet, wie unten gezeigt:

Verweise

• Braun, T. (2021). Chemie: The Central Science (11. Aufl.). London, England: Pearson Education.
• Chang, R., Manzo, A. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Chemie (10. Aufl.). New York City, NY: MCGRAW-HÜGEL.
• Flowers, P., Theopold, K., Langley, R., & Robinson, WR (2019c, 14. Februar). 4.4 Reaktionsausbeuten – Chemie 2e | OpenStax . Abgerufen von https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/4-4-reaction-yields
• Die Stöchiometrie chemischer Reaktionen. (2020, 29. Oktober). Abgerufen am 7. August von https://espanol.libretexts.org/@go/page/1816
• Die Ausbeuten der Reaktionen . (2020, 30. Oktober). Abgerufen am 7. August 2021 von https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822