Die theoretische Ausbeute berechnen

unter Mitarbeit von wikiHow Staff

Die theoretische Ausbeute ist ein Begriff, der in der Chemie verwendet wird, um die maximale Menge eines Produkts zu beschreiben, die eine chemische Reaktion erwartungsgemäß entstehen lassen kann. Du musst mit einer ausgeglichenen chemischen Gleichung beginnen und den begrenzenden Reaktant bestimmen. Wenn du einen Menge von diesem Reaktant misst, den du verwenden wirst, kannst du die Menge des Produktes berechnen. Das ist die theoretische Ausbeute der Gleichung. In einem echten Experiment wirst du wahrscheinlich ein wenig durch die Ineffizienz des Experimentes selbst verlieren.

Teil 1

Teil 1 von 2:

Den begrenzenden Reaktant finden

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Beginne mit einer ausgeglichenen chemischen Gleichung. Eine chemische Gleichung ist wie ein Rezept. Sie zeigt Reaktanten (auf der linken Seite), die miteinander reagieren, um Produkte (auf der rechten Seite) zu bilden. Eine richtig ausgeglichene Gleichung wird dieselbe Anzahl an Atomen als Reaktanten zeigen, die in die Gleichung gehen, wie in der Form von Produkten herauskommen.^{[1]
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Forschungsquelle}
- Betrachte zum Beispiel die einfache Gleichung $H_{2}+O_{2}$ → $H_{2}O$ . Es gibt zwei Wasserstoffatome sowohl auf der linken als auch auf der rechten Seite. Es gehen aber zwei Sauerstoffatome als Reaktanten hinein und es ist nur ein Atom in dem Produkt auf der rechten Seite.
- Um es auszubalancieren, verdoppelst du das Produkt und erhältst $H_{2}+O_{2}$ → $2H_{2}O$ .
- Überprüfe das Gleichgewicht. Diese Veränderung hat den Sauerstoff korrigiert, von dem es jetzt zwei Atome auf beiden Seiten gibt. Jetzt hast du aber zwei Wasserstoffatome auf der linken und vier Wasserstoffatome auf der rechten Seite.
- Verdopple den Wasserstoff im Reaktant. So wird die Gleichung zu $2H_{2}+O_{2}$ → $2H_{2}O$ angepasst. Nach dieser Änderung gibt es nun 4 Wasserstoffatome auf beiden Seiten und zwei Sauerstoffatome. Die Gleichung ist ausgeglichen.
- Ein komplexeres Beispiel ist, wie Sauerstoff und Glukose reagieren, um Kohlendioxid und Wasser zu bilden: $6O_{2}+C_{6}H_{12}O_{6}$ → $6CO_{2}+6H_{2}O$
  In dieser Gleichung hat jede Seite genau 6 Kohlenstoffatome (C), 12 Wasserstoffatome (H) und 18 Sauerstoffatome (O). Die Gleichung ist ausgeglichen.
- Lies diese Anleitung, wenn du das Ausgleichen von chemischen Gleichungen eingehender betrachten möchtest.
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Berechne die Molmasse jedes Reaktanten. Mithilfe des Periodensystems oder einer anderen Quelle schlägst du die Molmasse jedes Atoms in jeder Verbindung nach. Addiere sie, um die Molmasse jeder Verbindung von Reaktanten zu finden. Mache das für jedes einzige Molekül der Verbindung. Betrachte erneut die Gleichung, um Sauerstoff und Glukose in Kohlendioxid und Wasser umzuwandeln: $6O_{2}+C_{6}H_{12}O_{6}$ $6O_{2}+C_{6}H_{{12}}O_{6}$ → $6CO_{2}+6H_{2}O$ $6CO_{2}+6H_{2}O$ ^{[2]
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Forschungsquelle}
- In diesem Beispiel enthält ein Sauerstoffmolekül ( $O_{2}$ ) zwei Sauerstoffatome.
- Die Molmasse eines Atoms Sauerstoff ist etwa 16 g/mol. Wenn erforderlich kannst du auch präzisere Werte finden.
- 2 Sauerstoffatome x 16 g/mol pro Atom = 32 g/mol $O_{2}$ .
- Der andere Reaktant, Glukose ( $C_{6}H_{12}O_{6}$ ), hat eine Molmasse von (6 Atome C x 12 g C/mol) + (12 Atome H x 1 g H/mol) + (6 Atome O x 16 g O/mol) = 180 g/mol.
- Um diesen Schritt näher erläutert zu betrachten, kannst du dir diesen Artikel ansehen.
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Rechne die Menge jedes Reaktanten von Gramm in Mol um. Bei einem tatsächlichen Experiment wirst du die Masse jedes Reaktanten in Gramm kennen, den du verwendest. Teile diesen Wert durch die Molmasse der Verbindung, um die Menge an Mol zu erhalten.^{[3]
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Forschungsquelle}
- Nehmen wir zum Beispiel an, du beginnst mit 40 Gramm Sauerstoff und 25 Gramm Glukose.
- 40 g $O_{2}$ / (32 g/mol) = 1,25 Mol Sauerstoff.
- 25 g $C_{6}H_{12}O_{6}$ / (180 g/mol) = etwa 0,139 Mol Glukose.
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Bestimme das Verhältnis der Reaktanten. Ein Mol ist ein Hilfsmittel, das in der Chemie verwendet wird, um Moleküle basierend auf ihrer Masse zu zählen. Indem du die Anzahl an Mol von Sauerstoff und Glukose ermittelst, weißt du, mit wie vielen Molekülen von jedem du beginnst. Um das Verhältnis zwischen den beiden zu finden, teilst du die Anzahl der Mol des einen Reaktanten durch die Anzahl der Mol des anderen.^{[4]
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Forschungsquelle}
- In diesem Beispiel beginnst du mit 1,25 Mol Sauerstoff und 0,139 Mol Glukose. Somit ist das Verhältnis zwischen Sauerstoff- und Glukosemolekülen 1,25/0,139 = 9,0. Dieses Verhältnis bedeutet, dass du 9 mal so viele Moleküle Sauerstoff hast wie Glukose.
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Finde das ideale Verhältnis für die Reaktion. Sieh dir die ausgeglichene Gleichung für die Reaktion an. Die Koeffizienten vor jedem Molekül nennen dir das Verhältnis der Moleküle, das du brauchst, damit die Reaktion auftritt. Wenn du exakt das Verhältnis verwendest, das durch die Formel angegeben ist, dann sollten beide Reaktanten gleichermaßen verwendet werden.^{[5]
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Forschungsquelle}
- In dieser Reaktion sind die Reaktanten gegeben als $6O_{2}+C_{6}H_{12}O_{6}$ . Die Koeffizienten geben an, dass du 6 Sauerstoffmoleküle für jedes 1 Glukosemolekül brauchst. Das ideale Verhältnis für diese Reaktion ist 6 Sauerstoff / 1 Glukose = 6,0.
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Vergleiche die Verhältnisse, um den begrenzenden Reaktant zu finden. In den meisten chemischen Gleichungen wird einer der Reaktanten vor dem anderen aufgebraucht sein. Derjenige, der zuerst aufgebraucht wird, wird als begrenzender Reaktant bezeichnet. Dieser begrenzende Reaktant bestimmt, wie lange eine chemische Reaktion stattfinden kann, und welche theoretische Ausbeute du erwarten kannst. Vergleiche die zwei Verhältnisse, die du berechnet hast, um den begrenzenden Reaktanten zu ermitteln:^{[6]
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Forschungsquelle}
- In diesem Beispiel beginnst du mit 9 mal so viel Sauerstoff wie Glukose, wenn man es in Anzahl der Mol misst. Die Formel sagt dir, dass dein ideales Verhältnis 6 mal so viel Sauerstoff wie Glukose ist. Somit hast du mehr Sauerstoff als erforderlich. Folglich ist der andere Reaktant, in diesem Fall Glukose, der begrenzende Reaktant.
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Teil 2

Teil 2 von 2:

Die theoretische Ausbeute berechnen

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Sieh dir die Reaktion erneut an, um das gewünschte Produkt zu finden. Die rechte Seite einer chemischen Gleichung zeigt die Produkte, die durch die Reaktion entstehen. Die Koeffizienten jedes Produkts sagen dir, wenn die Reaktion ausgeglichen ist, die zu erwartende Menge im molekularen Verhältnis. Jedes Produkt hat eine theoretische Ausbeute, was die Menge des Produkts darstellt, die du erwarten kannst, wenn die Reaktion vollkommen effizient ist.^{[7]
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Forschungsquelle}
- In Forstsetzung des oben genannten Beispiels analysierst du die Reaktion $6O_{2}+C_{6}H_{12}O_{6}$ → $6CO_{2}+6H_{2}O$ . Die zwei dargestellten Produkte auf der rechten Seite sind Kohlendioxid und Wasser.
- Du kannst mit jedem der beiden Produkte beginnen, um die theoretische Ausbeute zu berechnen. In manchen Fällen wird dich nur das eine Produkt beschäftigen. Wenn ja, würdest du eben mit diesem beginnen.
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Schreibe die Anzahl der Mol deines begrenzenden Reaktanten auf. Du musst immer Mol von Reaktanten mit Mol von Produkten vergleichen. Wenn du versuchst, ihre Masse zu vergleichen, wirst du kein richtiges Ergebnis erhalten.^{[8]
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Forschungsquelle}
- Im obigen Beispiel ist Glukose der begrenzende Reaktant. Durch die Berechnungen der Molmasse haben wir herausgefunden, dass 25 g Glukose 0,135 Mol Glukose entsprechen.
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Vergleiche das Verhältnis der Moleküle im Produkt und im Reaktant. Gehe zur ausgeglichenen Gleichung zurück. Teile die Anzahl der Moleküle des gewünschten Produkts durch die Anzahl der Moleküle des begrenzenden Reaktanten.
- Die ausgeglichene Gleichung ist in diesem Beispiel $6O_{2}+C_{6}H_{12}O_{6}$ → $6CO_{2}+6H_{2}O$ . Diese Gleichung sagt dir, dass du 6 Moleküle des gewünschten Produktes Kohlendioxid ( $CO_{2}$ ) erwarten kannst, im Vergleich zu einem Molekül Glukose ( $C_{6}H_{12}O_{6}$ ).
- Das Verhältnis von Kohlendioxid zu Glukose ist 6/1 = 6. In anderen Worten kann diese Reaktion 6 Moleküle Kohlendioxid aus einem Molekül Glukose erschaffen.
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Multipliziere das Verhältnis mit der Menge an Mol des begrenzenden Reaktanten. Die Lösung ist die theoretische Ausbeute in Mol des gewünschten Produkts.
- In diesem Beispiel entsprechen die 25 g Glukose 0,139 Mol Glukose. Das Verhältnis von Kohlendioxid zu Glukose ist 6:1. Du erwartest 6 mal so viele Mol Kohlendioxid, wie du zu Beginn Glukose hast.
- Die theoretische Ausbeute an Kohlendioxid ist (0,139 Mol Glukose) x (6 Mol Kohlendioxid / Mol Glukose) = 0,834 Mol Kohlendioxid.
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Rechne das Ergebnis in Gramm um. Das ist die Umkehrung eines früheren Schritts, indem du die Anzahl der Mol des Reaktanten berechnet hast. Wenn du die Anzahl der Mol kennst, die du erwarten kannst, multiplizierst du mit der Molmasse des Produkts, um die theoretische Ausbeute in Gramm zu finden.^{[9]
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Forschungsquelle}
- In diesem Beispiel ist die Molmasse von CO₂ etwa 44 g/mol. (Die Molmasse von Kohlenstoff ist ~12 g/mol und von Sauerstoff ~16 g/mol, die gesamte Masse ist also 12 + 16 + 16 = 44.)
- Multipliziere 0,834 Mol CO₂ x 44 g/mol CO₂ = ~ 36,7 Gramm. Die theoretische Ausbeute des Experiments sind 36,7 Gramm CO₂.
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Wiederhole die Berechnung für das andere Produkt, wenn es so erwünscht ist. In vielen Experimenten könntest du dich nur mit der Ausbeute eines Produktes beschäftigen. Wenn du die theoretische Ausbeute beider Produkte herausfinden möchtest, wiederholst du den Vorgang.
- In diesem Beispiel ist das zweite Produkt Wasser, $H_{2}O$ . Gemäß der ausgeglichenen Gleichung erwartest du, dass 6 Wassermoleküle aus 6 Glukosemolekülen entstehen. Das ist ein Verhältnis von 1:1. Daher sollten 0,139 Mol Glukose 0,139 Mol Wasser ergeben.
- Multipliziere die Anzahl an Mol Wasser mit der Molmasse von Wasser. Die Molmasse ist 2 + 16 = 18 g/mol. Das ergibt 0,139 Mol H₂O x 18 g/mol H₂O = ~ 2,50 Gramm. Die theoretische Ausbeute an Wasser in diesem Experiment ist 2,50 Gramm.
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