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Trennmethoden

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Trennmethoden

In der Analytischen Chemie, dem Gebiet der Chemie, das sich mit der Untersuchung chemischer Verbindungen auseinandersetzt, und auch in der Industrie, dort besonders in der Pharmazie, sind unterschiedliche Trennmethoden von höchstem Interesse. Diese werden nach abgelaufenen chemischen Reaktionen zur Trennung des Zielprodukts von den übrigen Verunreinigungen, wie nicht umgesetzten Ausgangsstoffen oder Nebenprodukten, im Reaktionsgefäß.

Hierzu werden von verschiedenen Trennverfahren unterschiedliche physikalische Stoffeigenschaften ausgenutzt, um die Trennung verschiedener Gemische zu bewirken. Das kann Beispiel die Abtrennung von Wasser und Alkohol, also die Destillation sein. Dieser Artikel gibt Dir eine Übersicht der unterschiedlichen Trennmethoden, geordnet nach heterogenen und homogenen Stoffgemischen.

Heterogene versus homogene Gemische

Heterogene Gemische sind Stoffgemische, deren Einzelbestandteile, auch Phasen genannt, noch deutlich voneinander unterscheidbar sind. Ein heterogenes Gemisch besteht aus mindestens zwei Phasen, nach oben gibt es quasi keine Grenze.

Homogene Stoffgemische bestehen im Gegensatz zu den heterogenen Gemischen aus nur einer Phase. Ein Beispiel hierfür wäre eine ungesättigte Kochsalzlösung, in der die Salzkristalle vollständig in Wasser gelöst sind, sodass Du nur eine farblose Flüssigkeit beobachten kannst.

Verschiedene Phasen bilden sich aus, wenn sich zwei oder mehrere Stoffe in ihren physikalischen Eigenschaften stark voneinander unterscheiden. Hiermit sind beispielweise die Dichte oder die Löslichkeit gemeint. Bei der Phasenbildung entsteht eine Grenzfläche, in der prinzipiell Reaktionen stattfinden können. Es gibt aber auch Fälle, wie die Emulsion von Öl und Essig in einer Salatvinaigrette, wo kleine fein verteilte Öltropfen im Essig selbst vorliegen. Bei sehr guter Vermengung sind die Phasen mit dem bloßen Auge kaum noch voneinander zu unterscheiden sind. Ein anderes realitätsnahes Beispiel für eine solche Emulsion wäre Mayonnaise.

An der Stelle ist es sinnvoll, noch kurz auf die verschiedenen Stoffklassen hinzuweisen, mit denen Du in der Chemie in Kontakt kommst. Zunächst werden Reinstoffe und Gemische unterschieden. Zu den Reinstoffen zählen chemische Verbindungen und die reinen Elemente. Die Stoffgemische werden wie bereits besprochen in heterogene und homogene Gemische unterteilt.

Zu den homogenen Stoffgemischen der Chemie zählen Gasgemische, Legierungen und Lösungen. Legierungen sind Gemische aus unterschiedlichen Metallen, Lösungen sind in einer Flüssigkeit gelöste Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase und Gasgemische sind wie der Name sagt Gemische aus verschiedenen Gasen.

Zu den heterogenen Stoffgemischen der Chemie zählen Schaum, Hartschaum, Aerosole, Suspensionen, Emulsionen und Gemenge. Schaum sind gasförmige Bläschen in einer Flüssigkeit, während Hartschaum aus gasförmigen Bläschen in einem Feststoff besteht. Aerosole werden weiter in Rauch, also Feststoffpartikel in einem Gas, und Nebel, also Flüssigkeitspartikel in einem Gas, unterteilt. Suspensionen setzen sich aus Feststoffteilchen in einer Flüssigkeit zusammen, von Emulsionen ist die Rede, wenn ein Gemisch aus mehreren nicht mischbaren Flüssigkeiten vorliegt und ein Gemenge ist Gemisch nicht mischbarer Feststoffe.

Du kennst ja sicherlich aus dem Chemie-Unterricht bereits die verschiedenen Aggregatzustände: Feststoffe, Flüssigkeit und Gas. Unter gewissen Bedingungen, meistens sind das der Druck und die Temperatur, lassen sich dann unterschiedliche Stoffe aus den Gemischen heraustrennen, indem sie von einem Aggregatzustand in den anderen überführt werden. Bei anderen Trennverfahren hingegen werden andere Stoffeigenschaften ausgenutzt.

Trennmethoden heterogener Stoffgemische

Sortieren

Die erste Methode, die Du kennen lernst, ist sicherlich die einfachste in der Chemie. Hierbei erfolgt die Trennung der Gemische aus festen Phasen nach deutlich erkennbaren Unterschieden. Das kann per Hand erfolgen, wird aber immer häufiger automatisiert.

Kriterien für das Sortieren können unter anderem die Teilchengröße (beim Sieben) oder die magnetischen Eigenschaften (beim Magnetsortieren) der unterschiedlichen Stoffe sein.

Für Salze werden häufig elektrostatische Trennverfahren angewendet. Die unterschiedlichen Teilchen werden dabei unterschiedlich geladen und durch Metallplatten auf beiden Seiten entsprechend der Pole angezogen. So lassen sich auch sehr feine Teilchen voneinander trennen.

Elektrostatische Trennverfahren arbeiten mit elektrisch geladenen Polen, die die jeweiligen Salz-Ionen zu sich ziehen. Bedenke, dass sich positive und negative Ladungen stets anziehen.

Sedimentieren und Dekantieren

Mithilfe dieser Trennmethode werden in der Chemie hauptsächlich Suspensionen getrennt. In einigen Fällen können auch Emulsionen auf diese Weise getrennt werden. Normalerweise läuft diese Methode auch mithilfe der Schwerkraft ab, wie es beim Dekantieren von Wein der Fall ist. Der Sinn im Dekantieren von rotem Wein liegt darin, Stoffe abzutrennen, die sich während der Lagerung im Holzfass gebildet haben und einen negativen Einfluss auf den Geschmack haben. Zur Beschleunigung der Sedimentation wird häufig eine Zentrifuge verwendet. Die Feststoffe oder Flüssigkeiten lagern sich damit deutlich schneller und effektiver ab.

Die Sedimentation ist der physikalische Vorgang beim Absetzen von Feststoffen in einer flüssigen Phase aufgrund von unterschiedlichen Dichten.

Bei Suspensionen wird die Flüssigkeit anschließend dekantiert. Die Wortherkunft von dekantieren liegt im Französischen und bedeutet so viel wie "von der Kante gießen".

Emulsionen müssen hinterher zur Trennung in einen Scheidetrichter überführt werden, um eine erneute Vermischung der Flüssigkeiten zu verhindern.

Filtration

Die dritte Trennmethode, die Du kurz kennen lernen sollst, ist die Filtration von Feststoffen aus Flüssigkeiten oder Gasen. Zum Filtrieren selbst wird meistens ein Filterpapier verwendet. Dieses Trennverfahren findet allerdings auch sehr häufig Anwendung im Alltag. Vielleicht hast Du schon einmal Sauerkirschen abgetropft, um einen Kuchen zu backen. Aus chemischer Perspektive hast Du dann gerade filtriert, denn Du hast die feste Phase, sprich die Sauerkirschen, von der flüssigen Phase, dem Kirschsaft, getrennt.

Dieses Trennverfahren kann mithilfe von Unterdruck beschleunigt werden. In diesem Fall wird im Labor eine sogenannte Saugflasche mit einem sogenannten Büchner-Trichter genutzt. Der Anschluss an der Saugflasche ist für den Unterdruck gedacht.

Extraktion

Die Extraktion beruht als Trennmethode auf dem Löslichkeitsverhalten zweier Stoffe. Dabei wird ein Lösungsmittel hinzugegeben, in dem sich nur einer der beiden Stoffe löst. Bei den Feststoffgemischen wird dann sedimentiert und dekantiert oder filtriert. Die Trennung des Lösungsmittels von einem gelösten Stoff kann hinterher durch Abdampfen erfolgen.

Das Löslichkeitsverhalten sagt Dir, wie gut ein Stoff in einem bestimmten Lösungsmittel gelöst werden kann.

Abdampfen und Trocknen

Bevor es zu den homogenen Stoffen geht, noch eine letztes Trennverfahren der heterogenen Gemische. Hierfür spielen unterschiedliche Siedetemperaturen eine wichtige Rolle. So wird ein Flüssigkeitsgemisch beim Abdampfen auf eine Temperatur erhitzt, bei der nur einer der beiden Stoffe siedet. Der Aggregatszustand ändert sich folglich von Flüssigkeit zu Dampf und es erfolgt eine Abtrennung der Phasen. Beim Abdampfen, beziehungsweise Trocknen von Gemischen aus einem Feststoff in einer Flüssigkeit wird das ganze meist in einer offenen Apparatur gemacht. Hierbei entweicht der Dampf einfach in den Abzug und der Feststoff verbleibt wie gewünscht im Gefäß.

Die Siedetemperatur ist eine stoffspezifische Größe, die die Temperatur beschreibt, bei der die Substanz von der Flüssigkeits-in die Dampfphase übergeht. Bei Wasser liegt diese bekannterweise bei 100°C.

Trennmethoden homogener Gemische

Der zweite große Abschnitt dieses Artikels beschäftigt sich nun mit den Trennverfahren, die für homogene Gemische Anwendung finden. Ähnlich wie heterogene Gemisch findet die Trennung der Substanzen aufgrund ihrer unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften statt. Welche dabei eine Rolle spielt, hängt von der Trennmethode selbst ab.

Extraktion

Die Extraktion hast Du bei den heterogenen Gemischen bereits kennengelernt. Das Grundprinzip der Trennmethode bleibt dabei das gleiche, allerdings handelt es sich jetzt um Lösungen. Erneut wird für die Trennung ein Lösungsmittel als Hilfsstoff hinzugefügt. Das Ziel ist, dass das Lösungsmittel eine der beiden Substanzen des Stoffgemisches aufnimmt, während die andere Substanz unverändert verbleibt. So bilden sich dann zwei Phasen aus, die anschließend mit einem Scheidetrichter voneinander getrennt werden können.

Indem der Vorgang mehrere Male wiederholt wird, kann eine fast vollständige Trennung der beiden ursprünglichen Flüssigkeiten des Stoffgemisches erreicht werden. Für die Trennung des Lösungsmittels von der gelösten Substanz wird dann meist ein Rotationsverdampfer verwendet.

Ein Rotationsverdampfer ist eine Apparatur, die aus einem Heizbad, einem Dampfrohr mit Verdampfungskolben, dessen Einleitrohr mit einem Vakuumanschluss verbunden ist. In einem Auffangkolben wir dann das zu entfernende Lösungsmittel aufgefangen. Der Rotationsverdampfer ist an eine Hebevorrichtung angeschlossen und wird durch einen Motor angetrieben, wodurch das Verdampfungskolben im Heizbad rotieren kann. Die Hauptanwendung ist das Entfernen eines Lösungsmittels, das eine niedrigeren Siedepunkt hat als die übrigen Komponenten im Gemisch.

Kristallisation

Die Kristallisation ist eine Trennmethode, bei der die Trennung wieder auf dem Löslichkeitsverhalten von Feststoffen beruht. Dabei wird das Gemisch so verändert, dass die Löslichkeit des zu trennenden Stoffes verringert wird. Der andere Stoff verbleibt dann in der Lösung. Das kann zum Beispiel durch Abkühlen oder Erhitzen sowie durch Zugabe eines weiteren Lösungsmittels geschehen. Anschließend wird die Lösung in eine Kristallisierschale gegeben, zum Auskristallisieren, wobei der zu trennende Feststoff ausfällt und der andere in Lösung verbleibt. Bei der anschließenden Filtration wird dann der kristalline Feststoff von dem noch gelösten Feststoff mit der zuvor vorgestellten Filtrationsapparatur getrennt.

Destillation

Von der Destillation hast Du sicherlich schon gehört, wenn es um das Thema Alkohol ging. Das Ziel hierbei ist es, möglichst viel Wasser vom Alkohol zu trennen. Das Prinzip der Trennung beruht dabei wieder auf einer physikalischen Eigenschaft, dem Siedepunkt. Hierzu wird das Gemisch erhitzt, bis einer der beiden Stoffe anfängt zu sieden und somit in die Gasphase übergeht, in der er in der Destillierbrücke wieder aufgefangen wird.

In manchen Fällen ist es allerdings so, dass die beiden Siedetemperaturen nah beieinander liegen. In diesem Fall muss der Vorgang mehrfach wiederholt werden, für eine bessere Trennung und Reinheit. Geschieht dieses Trennverfahren in einer Anlage, in der mehrere Destillationsschritte hintereinandergeschaltet werden, spricht der Chemiker von einer Rektifikation

Die Destillation wird in der Chemie nicht nur bei homogenen Gemischen genutzt, sondern auch bei heterogenen Gemischen. Bei diesem Trennverfahren spielt die Anzahl der Phasen auch keine wichtige Rolle, denn entscheidend ist, wie gesagt, der Siedepunkt der verschiedenen Flüssigkeiten.

Chromatographie

Bei der Chromatographie werden zunächst die stationäre und die mobile Phase unterschieden. Die mobile Phase muss dabei die stationäre Phase, beispielsweise ein besonderes Stück Papier, durchlaufen. Manche Partikel, die in der mobilen Phase vorhanden sind, haften dann an der stationären Phase. Die Trennung durch Chromatographie beruht auf zwei physikalischen Prinzipien. Das eine ist die Absorption, also die Ansammlung von Stoffteilchen (Gas oder Flüssigkeit) auf der Oberfläche eines Feststoffs (Absorbens) als stationäre Phase. Das andere ist die Verteilung des Stoffes durch Lösen in einer mobilen Phase auf der Oberfläche des Trägers.

Der Vorteil dieses Trennverfahrens liegt darin, dass damit winzige Mengen mit geringem Aufwand voneinander getrennt werden können. Teilweise ist auch die Trennung einzelner Ionen möglich, wenn die Trägermaterialien passend ausgewählt werden.

Da die Chromatographie in einem gesonderten StudySmarter Original noch einmal genauer erklärt wird, wurde diese Trennmethode hier auch nur kurz angeschnitten.

Elektrophorese

Die letzte Trennmethode, die Du kennen lernst, nennt sich Elektrophorese. Auch das hast Du sicherlich schon mal als Gelelektrophorese gehört, als es darum ging, die DNA aufzutrennen, beispielsweise bei einem Vaterschaftstests. Im Grunde genommen handelt es sich hierbei um eine Sonderform der Chromatographie.

Der Fluss der zu trennenden Stoffe wird hier durch Anlegen einer Spannung bewirkt und durch Erhöhen dieser auch beschleunigt. Wichtig ist noch zu wissen, dass die Wanderungsgeschwindigkeit proportional zur Molekülmasse ist. Auch die Entfernung, die die einzelnen Stücke im Gel zum Beispiel wandern, hängt von der Größe des Moleküls ab.

Anwendung der Trennmethoden

Zum Abschluss gibt es nun noch drei Beispiele, bei denen Du entscheiden kannst, welche der gelernten Trennmethoden aus der Chemie für Dich am sinnvollsten erscheint. Du wirst dann direkt darunter auch eine Lösung mit der entsprechenden Begründung finden.

Deine Waschmaschine befindet sich gerade im Schleudergang.

Sedimentieren (konkret auch als Zentrifugieren bezeichnet)

Tatsächlich funktioniert Deine Waschmaschine wie eine Zentrifuge. Durch das Schleudern wird das Wasser als flüssige Phase von den Textilien als feste Phase getrennt. Da der Feststoff durch die Trommel das Ausbreiten nach außen verwehrt bleibt, wird hauptsächlich das Wasser nach außen gedrängt, da es die winzigen Löcher in der Trommel durchdringen kann. Dein T-Shirt passt dort logischerweise nicht durch.

Zur Herstellung von Branntwein muss eine möglichst gute Trennung von Alkohol und Wasser erfolgen.

Destillation

Diese Verwendung wurde zuvor schon besprochen. Alkohol und Wasser lassen sich am besten voneinander trennen, indem sie destilliert werden, da der Siedepunkt von Alkohol bei 78°C liegt, während Wasser einen Siedepunkt bei 100°C hat.

Allerdings verdampft ein Teil des Wassers häufig schon vor 100°C, daher muss dieser Vorgang mehrfach wiederholt werden.

Aus salzigem Oberflächenwasser, zum Beispiel Meerwasser soll Salz gewonnen werden.

Abdampfen und Kristallisation

In diesem Fall wird das Meerwasser in hintereinandergeschaltete Verdunstungsteiche gepumpt. Das Wasser verdampft und der Salzgehalt der Sole wird somit immer weiter erhöht. In einem Kristallisierteich wird aus der hochkonzentrierten Sole dann Meersalz auskristallisiert.

Trennmethoden – Das Wichtigste auf einen Blick

  • Heterogene Gemische bestehen aus mindestens zwei Phasen, homogene Stoffgemische hingegen besitzen nur eine Phase.
  • Das Sedimentieren dient der Trennung von Suspensionen oder Emulsionen, unter anderem mit Hilfe einer Zentrifuge.
  • Filtration beschreibt die Trennung eines Feststoffs von einer Flüssigkeit oder einem Gas.
  • Die Extraktion beruht auf den unterschiedlichen Löslichkeitsverhalten von Feststoffen oder Flüssigkeiten in einem Lösungsmittel .
  • Abdampfen und Destillation arbeiten mit den unterschiedlichen Siedepunkten, sodass einer der Stoffe verdampft.
  • Die Chromatographie verwendet das Haftverhalten (Absorption) einer mobilen Phase auf einer stationären Phase und die Verteilung der mobilen Phase über der stationären Phase zur Trennung.

Nachweise

  1. https://de-academic.com/
  2. www.seilnacht.com

Häufig gestellte Fragen zum Thema Trennmethoden

Zu den geläufigsten Trennverfahren zählen das Sortieren, das Sedimentieren und Dekantieren, das Filtrieren, das Abdampfen und Trocknen, die Extraktion, die Kristallisation, die Destillation, die Chromatographie und die Elektrophorese.

Beim Sedimentieren und Dekantieren.

Es gibt viele Möglichkeiten, um Stoffgemische zu trennen. Je nach Fall werden verschiedene physikalische Eigenschaften der Substanzen in einem Stoffgemisch ausgenutzt. Solche können beispielsweise die Siedetemperatur, die Dichte, das Löslichkeitsverhalten oder die Partikelgröße sein.

Die Chromatographie als Trennverfahren nutzt die Absorption, also das Haftverhalten, einer mobilen Phase auf einer stationären Phase. 

Finales Trennmethoden Quiz

Frage

Welche Trennmethoden werden bei heterogenen Gemischen verwendet?

Antwort anzeigen

Antwort

Dafür gibt es folgende Möglichkeiten: 

  • Sortieren 
  • Sedimentieren und Dekantieren 
  • Filtrieren 
  • Extraktion 
  • Abdampfen und Trocknen
Frage anzeigen

Frage

Welche Trennmethoden werden für homogene Gemische verwendet?

Antwort anzeigen

Antwort

Dafür können folgende Trennmethoden verwendet werden: 

  • Extraktion 
  • Kristallisation 
  • Destillation 
  • Chromatographie
  • Elektrophorese
Frage anzeigen

Frage

Was sind heterogene Gemische?

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Antwort

Heterogene Gemische sind Gemische, deren Einzelbestandteile noch deutlich zu erkennen sind. Sie bestehen aus mehreren Phasen.  

Frage anzeigen

Frage

Nach welche Kriterien kann die Trennmethode "Sortieren" erfolgen?

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Antwort

Kriterien dafür können unter anderem Teilchengröße, magnetische Eigenschafen sowie Dichte sein.

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Frage

Welches Trennverfahren wird häufig für Salze angewendet?

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Antwort

Salze werden häufig elektrostatisch sortiert. Dabei werden die Teilchen unterschiedlich geladen und mithilfe von Metallplatten auf beiden Seiten entsprechend der Pole angezogen. 

Frage anzeigen

Frage

Welche Gemische können mit dem Trennverfahren des Sedimentierens bzw. Dekantierens getrennt werden?

Antwort anzeigen

Antwort

Damit werden hauptsächlich Suspensionen getrennt, manchmal aber auch Emulsionen. 

Frage anzeigen

Frage

Was wird während der Suspension zur Beschleunigung des Ablaufs verwendet?

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Antwort

In dieser Trennmethode werden häufig Zentrifugen eingesetzt, die die Wirkung der Schwerkraft nachahmen und verstärken. 

Frage anzeigen

Frage

Wodurch kann eine Filtration beschleunigt werden? 

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Antwort

Diese Trennmethode kann mithilfe von Druck bzw. Unterdruck beschleunigt werden. 

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Frage

Was wird zum Filtrieren in der Chemie verwendet?

Antwort anzeigen

Antwort

Um die Stoffe einfach zu trennen wird ein Filtrierpapier verwendet. 

Frage anzeigen

Frage

Worauf basiert die Extraktion? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Extraktion basiert auf dem Löslichkeitsverhalten zweier Stoffe. Die Trennmethode funktioniert, indem sich nur einer der beiden Stoffe in einem Lösungsmittel löst. 

Frage anzeigen

Frage

Welche physikalishce Eigenschaft wird sich bei der Trennmethode "Abdampfen" zunutze gemacht?

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Antwort

Bei dieser Trennmethode geht es hauptsächlich um Siedetemperaturen. 

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Frage

In welche Gruppen werden homogene Stoffe unterteilt?

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Antwort

Homogene Stoffe werden in homogene Gemische und Reinstoffe unterteilt.

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Frage

Wie erfolgt die Extraktion einer Lösung?

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Antwort

Ein Lösungsmittel wird hinzugegeben, dass sich nur mit einem der vorliegenden Stoffe verbinden kann. Die anderen Stoffe bleiben als gesonderte Phase übrig. Anschließend erfolgt die Trennung mit einem Scheidetrichter. 

Frage anzeigen

Frage

Worauf basiert die Kristallisation?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Kristallisation ist ebenfalls eine Trennmethode, die auf dem Löslichkeitsverhalten basiert. 

Frage anzeigen

Frage

Wie läuft eine Kristallisation ab?

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Antwort

Bei dieser Trennmethode wird die Löslichkeit des gesuchten Stoffes so verändert, dass er weniger löslich wird. Das kann durch Abkühlen oder Erhitzen geschehen. Der gesuchte Stoffe nimmt einen festen Aggregatzustand ein und kann anschließend filtriert werden. 

Frage anzeigen

Frage

Für was wird eine Destillation auch außerhalb des Labors verwendet?

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Antwort

Die Trennmethode des Destillierens wird vor allem zur Herstellung von Whiskey und Branntwein verwendet. 

Frage anzeigen

Frage

Welche zwei Phasen unterscheidet man bei der Trennmethode "Chromatographie"?

Antwort anzeigen

Antwort

Man unterscheidet dabei eine stationäre und eine mobile Phase. 

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Frage

Wie läuft eine Chromatographie ab?

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Antwort

Die mobile Phase durchläuft dabei die stationäre Phase. Bestimmte Partikel bleiben an der stationären Phase haften. Die unterschiedlichen Haftstärken können zur Trennung verwendet werden. Diese Trennmethode ist vor allem von Vorteil, um winzige Mengen voneinander zu trennen. 


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Frage

Was ist eine Elektrophorese?

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Antwort

Eine Elektrophorese ist eine Trennmethode, die der Chromatographie sehr ähnlich ist. Dabei existiert ebenfalls eine mobile Phase, die die stationäre Phase durchlaufen muss. Zur Unterstützung wird dabei eine Spannung angelegt. 

Frage anzeigen

Frage

Wofür spielt die Gelelektrophorese eine wichtige Rolle?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Gelelektrophorese ist als Trennmethode für die Auftrennung der DNA wichtig. So werden zum Beispiel Vaterschaftstests durchgeführt. 

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