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Umsatz und Ausbeute 11:56 min

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Transkript Umsatz und Ausbeute

Guten Tag und herzlich willkommen! In diesem Video geht es um Umsatz und Ausbeute. An Vorkenntnissen solltest du Grundwissen in Mathematik und Chemie mitbringen. Ich möchte, dass du das Wesen der Begriffe und ihre Anwendung verstehst. Der Film besteht aus 9 Abschnitten. 1. Bekannte Begriffe 2. In Forschung und Technik 3. In der chemischen Reaktionstechnik 4. In der chemischen Laboratoriumstechnik 5. Umsatz und chemisches Gleichgewicht 6. Verlässliche Angaben für die Ausbeute 7. Ausbeuten einer mehrstufigen Synthese 8. Ausbeuten bei vielen Synthesestufen 9. Zusammenfassung   1. Bekannte Begriffe Wer sich etwas mit Wirtschaft beschäftigt hat, hat den Begriff Umsatz bestimmt schon gehört. Wenn man beim Pilzesuchen viel Erfolg hat, wird häufig gesagt, man hat eine große Ausbeute. So ist es aber nicht gemeint.   2. In Forschung und Technik Umsatz und Ausbeute sind in Forschung und Technik 2 wichtige Begriffe. Wir finden sie in der chemischen Reaktionstechnik, aber auch in der chemischen Laboratoriumstechnik. In beiden Einsatzgebieten haben sie, ich sage es einmal vorsichtig, ähnliche Bedeutung.   3. In der chemischen Reaktionstechnik Was ist der Umsatz? Bezeichnet wird er mit dem Symbol X. X ist die umgesetzte Menge durch die eingesetzte Menge. Was ist die Ausbeute? Die Ausbeute hat das Symbol Y. Y ist die gebildete Menge durch die eingesetzte Menge. Unter Menge versteht man jeweils die Stoffmenge. Die Stoffmengen werden in mol angegeben.   4. In der chemischen Laboratoriumstechnik Ihr seht das die Definitionen, für Umsatz und Ausbeute, hier erhalten bleiben. Der Umsatz spielt im Labor nicht die entscheidende Rolle. Hier steht die Ausbeute im Vordergrund. Zur Definition aus der Reaktionstechnik kommt hier noch eine weitere, analog lautende hinzu. Y ist isolierte Menge durch theoretische Menge. Gewöhnlich werden diese Mengen im Labor, in Gramm angegeben.Y gibt man fast immer in Prozent an. Ihr merkt schon, wir befinden uns hier mitten in der Stöchiometrie. Manchmal versteht man unter Ausbeute etwas anderes. Man meint damit, denkt an die eingangs gezeigten Pilze, die isolierte Menge an Reaktionsprodukt. Fälschlicherweise wird hin und wieder, von theoretischer Ausbeute gesprochen. Gemeint ist dann aber nicht 100% sondern der Literaturwert. Das kann z. B. 65% sein.   5. Umsatz und chemisches Gleichgewicht Tragen wir einmal bei einem chemischen Gleichgewicht, die Konzentration C des Produktes gegen die Zeit t ab und nehmen wir an, dass die Reaktion nicht vollständig abläuft. Ein Beispiel für eine solche Reaktion ist die Veresterung. Ich nehme einmal an, dass bei Erreichen des Gleichgewichtes, sich 80% des möglichen Reaktionsproduktes gebildet haben. Entscheidend hierbei ist, die Reaktion läuft nicht vollständig ab. Bedeutet das nun, dass damit der Umsatz beschränkt ist? Nein, durchaus nicht. Man kann hier nämlich 2 Tricks anwenden, von denen ihr bestimmt schon gehört habt. Als 1. ist es möglich, die Konzentration eines der Edukte, nämlich der Carbonsäure, zu erhöhen, die Carbonsäure im Überschuss vorzulegen. Alternativ dazu kann man die Konzentration des Esters, als Produktionsprodukt herabsetzen. Wenn möglich, den Ester einfach abdestillieren. Dadurch wird es möglich, den Umsatz zu erhöhen und damit auch die Ausbeute der chemischen Reaktion.   6. Verlässliche Angaben für die Ausbeute Ich habe in der Literatur einmal so etwas gefunden: Eine Ausbeute von 103%. Na klar muss man da ein Fragezeichen dranschreiben. Aber was bedeutet das? Das bedeutet folgendes: Dieses Produkt enthält Verunreinigungen. Um ein sauberes Produkt zu erhalten, müssen wir es reinigen. Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten, z. B. durch Umkristallisieren oder durch Destillation. Säulenchromatografie ist möglich und Trocknung im Trockenschrank. Und fast immer wird die Ausbeute kleiner als 100% sein. Es ist fast nicht zu vermeiden, dass man durch Laborarbeiten Substanz verliert. Rückstände bleiben an den Laborgeräten haften. An den Reaktionsgefäßen, am Filter beim Filtrieren, an der Fritte beim Absaugen oder am Kühler bei der Destillation. Ausbeuten dürfen nur für reine und trockene Reaktionsprodukte angegeben werden. Im Dünnschichtchromatogramm dürfen die Stoffe nur jeweils einen Fleck aufweisen. Ein reiner Stoff schmilzt und siedet scharf in einem Intervall von 1 °C.   7. Ausbeuten einer mehrstufigen Synthese Ich habe einmal verkürzt, ein kleines, aber reales Reaktionsschema entwickelt. Benzol wird nach Friedel-Crafts acyliert. Das Keton wird nach Wolff-Kizner zum Butylbenzol reduziert. Der 3. Schritt ist Acetylierung in Parastellung, wieder nach Friedel-Crafts. Das Keton wird nach Einhorn zur Säure oxidiert. Mit Thionylchlorid gewinnt man das Säurechlorid. Umsetzung mit Anilin nach Schotten-Baumann ergibt ein Amid. Die Ausbeuten habe ich der Literatur entnommen. In einem Fall bin ich von eigenen Erfahrungen ausgegangen. 70%, 80-95%, 70%, 80-90%, 80% und wieder 80%. Die Gesamtausbeute ergibt sich als Produkt der Teilausbeuten. Die minimale Gesamtausbeute beträgt 20% und auch der maximale Wert, ist mit 27% nicht hoch. Das ist nicht sehr schön.   8. Ausbeuten bei vielen Synthesestufen 1982 gelang der Forschungsgruppe um Leo Paquette eine grandiose Synthese. Sie stellten Dodecahedran her. Dieser Kohlenwasserstoff hat die Struktur eines Dodecaeders. Die Reaktion besteht ungefähr aus 25 Stufen. Die Gesamtausbeute ist dann Y=Y¯25. Y¯ soll einmal vereinfacht, die mittlere Ausbeute darstellen. Betrachten wir einmal mittlere Ausbeuten von 90, 80 und 70%. Für 90% erhält man als Gesamtausbeute 7%. Bei 80% mittlerer Ausbeute, immerhin für Y, noch 0,4%. Aber jämmerliche 0,01% bei einer mittleren Ausbeute von immerhin 70%. Nehmen wir einmal an, in der 1. Stufe liegt das Edukt mit 132g vor. Wir wollen bei der Synthese 1g Endprodukt erhalten. Die dafür notwendige mittlere Ausbeute habe ich ausgerechnet. Sie muss immerhin 80% betragen. Und das ist durchaus nicht wenig.   9. Zusammenfassung Umsatz ist umgesetzte Menge durch eingesetzte Menge. Ausbeute ist gebildete Menge durch eingesetzte Menge. Ausbeute ist immer ≤ Umsatz ≤ 100%. In der Laboratoriumstechnik definiert man die Ausbeute manchmal auch anders. Bei Mehrstufensynthesen ergibt sich die Gesamtausbeute als Potenz der einzelnen Teilausbeuten. Sie ist sehr klein, wenn die Anzahl der Syntheseschritte groß ist. Das wäre es schon wieder für heute. Ich hoffe, ihr hattet ein wenig Spaß. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg, tschüss.

2 Kommentare
  1. @Leon90,

    Vielen Dank für den Hinweis. Die betreffende Stelle wurde korrigiert.

    Von Karsten Schedemann, vor fast 2 Jahren
  2. in Aufgabe 1 lernt man Ausbeute = Isolierte Menge / theoretische Menge und hier bekommt man den Tipp das Ausbeute = isolierte Menge / eingesetzte Menge....

    was stimmt nun ?

    Von Leon90, vor etwa 2 Jahren

Umsatz und Ausbeute Übung

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

  • 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,

  • 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.

  • 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.

  • 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.