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Physikalische Chemie

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Physikalische Chemie

Hast Du dir mal überlegt warum eine Thermoskanne den Tee oder Kaffee wirklich für mehrere Stunden warm hält? Oder wie der Akku in deinem Handy funktioniert? Oder sogar wie ein Handwärmer fast wie auf Knopfdruck Hitze generiert und somit deine Finger im Winter vor der Kälte bewahrt? All diese Dinge basieren auf Prinzipien der Physikalischen Chemie und werden dir in diesem Artikel erklärt. Wie der Name schon vermuten lässt, ist die Physikalische Chemie nichts anderes als der Schnittbereich zwischen der Physik und der Chemie. Man kann auch sagen sie befasst sich mit physikalischen Phänomenen und beschreibt die Chemie die dahinter steckt.

Hauptthemen der Physikalischen Chemie

Zu der Physikalischen Chemie gehören unterschiedliche Themenbereiche. Dazu gehören hauptsächlich Themen wie Thermodynamik, Elektrochemie, Kinetik und zum Beispiel auch Quantenmechanik. Allein die Namen dieser Themen können schon manchmal Angst und Schrecken verbreiten, allerdings sind sie alle sehr interessant und auch ganz gut zu verstehen. Mach dir von daher keine Sorgen, wenn Ihr diese Sachen in der Schule behandelt. Weitere Themen der Physikalischen Chemie sind die Spektroskopie, Mischungen und Grenzflächen, und das chemische Gleichgewicht.

Thermodynamik

Wärmelehre

Beispiel mit der Thermoskanne

Evtl anderes Beispiel

Hauptsätze der Thermodynamik (in Kurzfassung)

Link zu einer Erklärung der Thermodynamik

H4 Überschrift Prinzip von Le Chatelier

Elektrochemie

Strom (Elektronenfluss)

Freigabe von elektrischer Energie durch galvanische Zellen (Link zum Thema Galvanische Zelle)

Elektroylse als Umkehrprozess der Energiefreigabe (Aufladen des Handy-Akkus)

Standardwasserstoffelektrode (Nur soweit dass daran die Elektrochemische Spannungsreihe verstanden werden kann)

Daniell-Element

Kinetik

Faktoren die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflussen

Temperatur

Konzentration

Surface Area (Grenzfläche?)

Katalysatoren

Spontane Reaktionen

Beispiel mit Handwärmer erläutern

Mischungen und Grenzflächen

njds

Spektroskopie

bhj

Chemisches Gleichgewicht

Gleichgewichtskonstante K

Massenwirkungsgesetz

Löslichkeitsprodukt

Entropie/Enthalpie

Quantenmechanik

xmyjk

Kommen wir nun zur physikalischen Chemie. Dieses Teilgebiet der Chemie beschränkt sich nicht auf bestimmte Molekülarten, sondern untersucht im Prinzip alle chemischen Phänomene. Auch Froschende dieses Teilbereichs geht es in erster Linie darum, die Eigenschaften und die Umwandlungen von Stoffen zu verstehen. Der Unterschied ist allerdings die Vorgehensweise. Während es in der anorganischen und der organischen Chemie meist darum geht, möglichst effizient bestimmte Moleküle herzustellen, hat die physikalische Chemie einen anderen Anspruch.

Die physikalische Chemie versucht mithilfe von physikalischen Methoden chemische Prozesse noch besser zu verstehen, wovon wiederum sowohl die anorganische als auch die organische Chemie profitieren. Ohne physikalische Methoden wie der Spektroskopie wäre es zum Beispiel nicht möglich, hergestellte Moleküle auf ihre genaue Struktur hin zu untersuchen.

Die Spektroskopie umfasst unterschiedliche physikalische Methoden zur Strukturaufklärung von Molekülen. Meistens wird zur Untersuchung der Moleküle elektromagnetische Strahlung genutzt. Wenn Dich das Thema interessiert, schau Dir doch gern mal die Erklärung zur Strukturaufklärung aus der analytischen Chemie an.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Physikalische Chemie

Physikalische Trennverfahren sind Verfahren zur Trennung von Stoffen, die auf ihren unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften basieren. Physikalische Eigenschaften nach denen getrennt wird sind:

  • Siedepunkt
  • Gefrierpunkt
  • Sublimationspunkt
  • Löslichkeit
  • Oberflächenbenetzbarkeit
  • Dichte
  • Partikelgröße
  • Partikelträgheit
  • Magnetisierbarkeit
  • elektrische Beweglichkeit

Die Physik und die Chemie sind eng verwandte Bereiche der Naturwissenschaft. Dabei befasst sich die Chemie mit dem Aufbau, den Eigenschaften und der Umwandlung chemischer Stoffe. Die Physik hingegen befasst sich mit Materie und Energie, sowie deren Wechselwirkungen. Die physikalische Chemie vereint hierbei beide Welten aus chemischer Sicht. Es werden also die Wechselwirkungen von und in chemischen Stoffen anhand physikalischer Modelle beschrieben und untersucht.

Die Chemie ist kein Teil der Physik. Auch wenn beide Bereiche in der physikalischen Chemie und der chemischen Physik überlappen, sind dies getrennte Bereiche der Naturwissenschaften. Dabei befasst sich die Chemie mit dem Aufbau, den Eigenschaften und der Umwandlung chemischer Stoffe. Die Physik hingegen befasst sich mit Materie und Energie, sowie deren Wechselwirkungen. 

Finales Physikalische Chemie Quiz

Frage

Erkläre den Begriff galvanische Zelle. 

Antwort anzeigen

Antwort

Eine galvanische Zelle besteht aus zwei Halbzellen und kann elektrische Energie liefern, indem sie diese aus chemischer Energie umwandelt. 

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Frage

Beschreibe die Vorgänge im DANIELL-Element in Worten.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Atome im Zink-Stab geben Elektronen ab und gehen als Zn2+-Ionen in Lösung. Die freigesetzten Elektronen wandern durch die Kabel zur Oberfläche des Kupfer-Stabes, wo sie Cu2+-Ionen aus der Lösung zu elementaren Cu-Atomen reduzieren. Der Ladungsausgleich zwischen den Halbzellen erfolgt durch eine Wanderung von Sulfat-Ionen durch das Diaphragma von der Cu / Cu2+-Halbzelle in die Zn / Zn2+-Halbzelle.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die Vorgänge im DANIELL-Element in Worten.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Atome im Zink-Stab geben Elektronen ab und gehen als Zn2+-Ionen in Lösung. Die freigesetzten Elektronen wandern durch die Kabel zur Oberfläche des Kupfer-Stabes, wo sie Cu2+-Ionen aus der Lösung zu elementaren Cu-Atomen reduzieren. Der Ladungsausgleich zwischen den Halbzellen erfolgt durch eine Wanderung von Sulfat-Ionen durch das Diaphragma von der Cu / Cu2+-Halbzelle in die Zn / Zn2+-Halbzelle.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die Vorgänge bei einer Elektrolyse.

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Antwort

Bei einer Elektrolyse wird eine Redoxreaktion durch Zufuhr von elek-trischem Strom erzwungen. Dabei zersetzt sich der beteiligte Elektrolyt.

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Frage

Wie wird die Galvanische Zelle noch genannt?

Antwort anzeigen

Antwort

Man bezeichnet sie auch als galvanisches Element oder galvanische Kette.

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Frage

Wo wird die Galvanische Zelle verwendet?

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Antwort

Die galvanische Zelle wird in Batterien, Brennzellen und Akkumulatoren verwendet.

Frage anzeigen

Frage

Welches berühmte Beispiel einer galvanischen Zelle kennst du?

Antwort anzeigen

Antwort

Ein berühmtes Beispiel für eine galvanische Zelle ist das Daniell-Element.

Frage anzeigen

Frage

Welche Funktion hat eine Galvanische Zelle?

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Antwort

Die Funktion der galvanischen Zelle ist es chemische Energie in elektrische Energie zu verwandeln. Denn nur diese kann dann als Strom in Batterien etc. genutzt werden.

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Frage

Wie wird der Stromkreis geschlossen?

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Antwort

Um den Stromkreis zu schließen, werden die beiden Halbzellen mit einem Elektronenleiter/ Salzbrücke verbunden.

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Frage

Wie bestimmt man das Standardpotential einer Halbzelle?

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Antwort

Das Standardpotential einer Halbzelle kann man durch das Verbinden mit einer Normal-Wasserstoff-Halbzelle herausfinden. Wenn diese beiden Halbzellen zu einem galvanischen Element zusammengefügt wurden, kann der Strom, den diese zusammen erzeugen durch ein Voltmeter angezeigt werden. Da die Normal-Wasserstoff-Halbzelle ein Standardpotential von 0 hat, kann so das genaue Standardpotential der zu testenden Halbzelle abgelesen werden.

Frage anzeigen

Frage

Was benötigt man um die Spannung in einer Galvanischen Zelle zu erzeugen?

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Antwort

Jedes Mal, wenn zwei unterschiedliche Metalle in einer Elektrolytlösung sind, entsteht ein

Spannung (galvanische Zelle).

Frage anzeigen

Frage

Nenne ein Beispiel, aus welchen Elektroden eine Galvanische Zelle aufgebaut sein kann.

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Antwort

Aus beispielsweise einer Kupfer- und Silberelektroden kann ein galvanisches Element erzeugt werden.

Frage anzeigen

Frage

Wie entsteht aus Kupfer- und Silberelektroden ein

galvanisches Element?

Antwort anzeigen

Antwort

  • An der Kupferelektrode gehen mehr Cu2+ Ionen in Lösung als Cu Ionen wieder abscheiden
  • Da das Kupfer Elektronen an die Elektrode abgibt, sobald es in die Lösung geht, lädt sich die

    Elektrode negativ auf → Wird zur Anode

  • An der Silberelektrode scheiden sich hingegen mehr Ag+ Ionen an der Elektrode ab, als in
    Lösung gehen


  • Deswegen gibt es an der Silberelektrode Elektronenmangel und sie lädt sich
    positiv auf → wird zur Kathode

Frage anzeigen

Frage

Wie würdest du eine galvanischen Zelle aus Kupfer- und Silberelektroden aufbauen?

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Antwort

  • Dazu taucht man die Kupferelektrode in Kupfersulfat-Lösung und die Silberelektrode in Silbernitratlösung
  • Dann werden sie durch ein Draht, den Elektronenleiter, mit Voltmeter und einem Ionenleiter verbunden
Frage anzeigen

Frage

Was kannst du mit der Nernst-Gleichung bestimmen?

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Antwort

Mit der Nernst-Gleichung bestimmt man das Elektrodenpotential eines Redox-Paares in Abhängigkeit von den Konzentrationen der beteiligten Substanzen und der Temperatur.

Frage anzeigen

Frage

Was ist eine Ionenbrücke/Salzbrücke?

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Antwort

  • Die ist da, um den Stromkreis zu schließen
  • Die Ionenbrücke ist meist ein U-Rohr, das mit einem Elektrolyten gefüllt ist und dessen Enden mit einer Membran oder einem Diaphragma versehen sind
Frage anzeigen

Frage

Was bewirkt eine Ionenbrücke/Salzbrücke?

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Antwort

Über diese Salzbrücke erfolgt letztendlich ein Anionenaustausch, um der Aufladung der

einzelnen Zellen entgegen zu wirken. Dort entsteht durch die Elektronen ein Strom, welcher genutzt und gemessen werden kann.

Frage anzeigen

Frage

Wann ist ein Element edel und wann unedel?

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Antwort

Ein edles Element erkennt man an einem positiven Standardpotential, während ein unedles Element ein negatives Standardpotentail besitzt.

Frage anzeigen

Frage

Was ist ein Daniell-Element?

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Antwort

  • auch Daniell’sches Element genannt
  •  ist eine galvanische Zelle, die aus einer Kupfer- und einer Zink-Halbzelle besteht.
Frage anzeigen

Frage

Nach wem wurde das Daniell-Element benannt?

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Antwort

nach dem Entdecker der

Zelle benannt: John Frederic Daniell

Frage anzeigen

Frage

Was für ein Modell ist das Daniell-Element?

Antwort anzeigen

Antwort

Einfaches Modell für galvanische Zellen

Frage anzeigen

Frage

Wie ist das Daniell-Element aufgebaut (modellhaft)?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Kupferstab und Zinkstab mit ihrer Ionenlösung werden leitend miteinander verbunden

    ● Reaktion, wenn Beides elektrisch und elektrolytisch miteinander verbunden ist

    ● Elektrolytisch: mit Salzbrücke, die Diffusions- Durchmischungen verhindern soll und Ladungsausgleich ermöglicht

Frage anzeigen

Frage

Was ist die 1. Funktionsweise des Daniell-Elements?

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Antwort

Kupfer ist edler als Zink; d.h. die Lösungstension von Zink ist größer. Daher gehen am

Kupferstab nur wenige Kupferionen in die Lösung, während sich am Zinkstab viele Zinkionen ablösen und ihre Elektronen im Metall zurücklassen. Die Zinkelektrode ist

deshalb negativer geladen als der Kupferstab. So baut sich eine Spannung auf.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die 2. Funktionsweise des Daniell-Elements? 

Antwort anzeigen

Antwort

Überschüssige Elektronen im Zink wandern über den Leiter vom Zink zum Kupfer. Dabei lässt sich eine Spannung von 1,11 Volt messen. Dies ist die Elektromotorische Kraft, die

sich aus dem Redoxpotential von Kupfer und dem Zink zusammensetzt.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die 3. Funktionsweise des Daniell-Elements?

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Antwort

Die gelösten Kupferionen nehmen anschließend die Elektronen auf und lagern sich als

Kupfer an der Elektrode ab.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die 4. Funktionsweise des Daniell-Elements?

Antwort anzeigen

Antwort

Nun gehen auf der einen Seite positive Zinkionen in die Lösung und auf der anderen

Seite lagern sich Kupferionen ab. Es muss ein Ladungsausgleich stattfinden, was über

die Salzbrücke passiert. So wird der Stromkreis geschlossen.

Die beiden Teilvorgänge dieser Redoxreaktion können räumlich getrennt werden. So

gehen die Elektronen nicht direkt vom System Zn/Zn2+ auf das System Cu/Cu2+ über,

sondern wandern zuerst über einen Draht vom Zn zum Cu. Es fließt ein

Elektronenstrom.

Frage anzeigen

Frage

Wie nennt man die getrennten Teilsysteme?

Antwort anzeigen

Antwort

“Halbzellen”

Frage anzeigen

Frage

Was stellt der Plus-/Minus-Pol dar?

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Daniell-

Element stellt die Anode den Minuspol und die Kathode den Pluspol dar.

Frage anzeigen

Frage

Was stellt der Plus-/Minus-Pol dar?

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Daniell-

Element stellt die Anode den Minuspol und die Kathode den Pluspol dar.

Frage anzeigen

Frage

Welche Zuordnung gilt bei der Anode und Katode?

Antwort anzeigen

Antwort

Anode: Elektrode, an der Teilchen oxidiert werden.

Kathode: Elektrode, an der Teilchen reduziert werden.

Frage anzeigen

Frage

Nenne eine Eselsbrücke um sich die Zuordnung der Anode und Katode zu merken.

Antwort anzeigen

Antwort

An-o-de: An Oxidation denken.

Oder: O-M-A (Oxidation, Minuspol, Anode)

Oder: Anode und Oxidation- das A und O der Elektrochemie

Oder: A O K (R)- Anode-Oxidation; Kathode-Reduktion

Frage anzeigen

Frage

Was ist eine Redoxreaktion?

Antwort anzeigen

Antwort

  • eine chemische Reaktion, bei welches es zwei Reaktionspartner gibt
  • Einer der Reaktionspartner überträgt dabei Elektronen auf den anderen Partner
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Frage

Wo wird die Elektrolyse z.B. eingesetzt?

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Antwort

um Metall zu gewinnen oder aber auch um Stoffe zu gewinnen die durch keine andere chemische Reaktion möglich sind

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Frage

Was kann z.B. durch die Elektrolyse gewonnen werden?

Antwort anzeigen

Antwort

 zum Beispiel Wasserstoff, Aluminium, Chlor und Natronlaugen

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Frage

Was passiert bei einer Elektrolyse allgemein?

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Antwort

Elektrolyse wird genutzt, um etwas mit Strom zu trennen

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Frage

Wie kann die Elektrolyse noch bezeichnet werden?

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Antwort

kann auch als Umkehrung einer galvanischen Zelle bezeichnet werden

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Frage

Wie läuft eine Elektrolyse ab?

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Antwort

  • In einer Lösung tauchen zwei Elektroden ein
  • durch die beiden Elektroden wird dann ein elektrischer Gleichstrom erzeugt, das heißt es gibt einen Pluspol (Anode) und einen Minuspol (Kathode)
  • In den Minuspol werden Elektronen geschoben und von dem Pluspol abgezogen
  • Es entstehen an den Elektroden Reaktionsprodukte
  • Während des Prozesses fallen Nebenprodukt der eingesetzten Stoffe an, welche wiederum oxidieren
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Frage

Was ist ein Elektrolyt?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Die Lösung, in welcher die Elektroden getunkt werden, besitzt außerdem die Fähigkeit zu leiten
  • Diese wird Elektrolyt genannt
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Frage

Was muss bestimmt eingestellt werden, damit eine Elektrolyse stattfinden kann?

Antwort anzeigen

Antwort

muss eine bestimmte Höhe der Spannung eingestellt sein

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Frage

Wo können Überspannungen entstehen?

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Antwort

 können sowohl an der Anode als auch an der Kathode entstehen und die eigentlich benötigte Spannung zusätzlich erhöhen

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Frage

Wie wird das Prinzip des kleinsten Zwanges noch genannt und weshalb ist das so?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Prinzip des kleinsten Zwanges wird noch als "Prinzip von Chatelier" bezeichnet und das ist so, weil es von Henry Le Chatelier und Ferdinand Braun zwischen 1884 und 1888 formuliert wurde.

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Frage

Weshalb ist es wichtig, dass du Kenntnis vom Prinzip des kleinsten Zwanges hast?

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Antwort

Das ist deshalb wichtig, weil du durch die Kenntnis des Prinzips des kleinsten Zwanges verstehst, wie sich eine chemische Reaktion durch äußere Einflüsse so beeinflussen lässt, damit eine maximale Ausbeute erzielt werden kann.

Frage anzeigen

Frage

Was besagt das Prinzip des kleinsten Zwanges?

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Antwort

Das Prinzip des kleinsten Zwanges besagt: "Wird auf ein System, das sich im chemischen Gleichgewicht befindet, ein Zwang ausgeübt, verschiebt sich die Lage des Gleichgewichts so, dass die Wirkung des Zwanges minimal wird."

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Frage

Was kannst du dir beim Prinzip des kleinsten Zwanges unter "Zwängen" vorstellen?

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Prinzip des kleinsten Zwanges kannst du dir unter "Zwängen" Änderungen im Sinne von Stoffmengenkonzentration, Druck oder Temperatur vorstellen.

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Frage

Anhand was, können wir uns im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges den Einfluss von Änderungen der Stoffmengenkonzentration auf die Lage eines Gleichgewichts, gut verdeutlichen?

Antwort anzeigen

Antwort

Anhand der Erhöhung der Konzentration von z.B. Essigsäure können wir uns gut den Einfluss von Änderungen der Stoffmengenkonzentration auf die Lage eines Gleichgewichts im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges verdeutlichen.

Frage anzeigen

Frage

Was gilt es im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges bei allen Konzentrationen im chemischen Gleichgewicht zu beachten?

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Antwort

Es gilt im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges bei allen Konzentrationen im chemischen Gleichgewicht zu beachten, dass sie konstant sind. Denn es gilt die Gleichgewichtskonstante KC.


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Frage

Was passiert laut dem Prinzip des kleinsten Zwanges, wenn wir die Konzentration von Essigsäure erhöhen?

Antwort anzeigen

Antwort

Laut dem Prinzip des kleinsten Zwanges läuft kurzzeitig mehr Estersynthese ab, wenn wir die Konzentration von Essigsäure erhöhen. Dies geschieht aus dem Grund, da wir damit die Konzentration von Ester und Wasser steigern können. Damit ist die Reaktion wieder im Gleichgewicht. KC muss wieder den charakteristischen Zahlenwert aufweisen.

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Frage

Was passiert laut dem Prinzip des kleinsten Zwanges, wenn wir auf der Produktseite z.B. das Wasser entfernen.

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Antwort

Laut dem Prinzip des kleinsten Zwanges passiert, wenn wir auf der Produktseite z.B. das Wasser entfernen, dass erneut ein Prozess der Gleichgewichtsreaktion stattfindet. Es läuft also vermehrt Esterhydrolyse ab.

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Frage

Welche Merksätze solltest du bei einer Änderung der Stoffmengenkonzentration im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges wissen?

Antwort anzeigen

Antwort

Du solltest bei einer Änderung der Stoffmengenkonzentration im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges dir folgende zwei Sätze merken:


  1. Erhöhung der Konzentration von Edukten, dann verstärkte Produktbildung und umgekehrt.
  2. Erniedrigung der Konzentration eines Produkts, dann verstärkter Ablauf einer Hinreaktion.
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Frage

Wann kommt eine Änderung des Drucks im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges zu Stande?

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Antwort

Eine Änderung des Drucks im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges kommt zu Stande, wenn Gase an der Reaktion beteiligt sind. So kommt es zu einer Beeinflussung der Gleichgewichtslage.

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