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Chromatografie der Blattfarbstoffe – Chlorophyll, Carotinoide, Xanthophyll

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Bio-Team
Chromatografie der Blattfarbstoffe – Chlorophyll, Carotinoide, Xanthophyll
lernst du in der Oberstufe 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Grundlagen zum Thema Chromatografie der Blattfarbstoffe – Chlorophyll, Carotinoide, Xanthophyll

Inhalt

Chromatografie der Blattfarbstoffe in der Biologie – Chlorophyll, Carotinoide, Xanthophyll

Im Herbst werden die Blätter bunt. Hast du dich schon mal gefragt, wie die Farben in das Blatt kommen? Oder waren sie vielleicht schon vorher da?
Um das herauszufinden, kannst du den Aufbau eines Laubblatts in Bezug auf die enthaltenen Blattfarbstoffe untersuchen.
Du nimmst ein grünes Blatt und untersuchst es hinsichtlich seiner Blattfarbstoffe. Doch wie funktioniert das? Was für Blattfarbstoffe gibt es und welche Stoffe werden bei der Chromatografie von Blattgrün extrahiert? Diesen Fragen gehen wir im folgenden Text auf den Grund.

Was ist die Chromatografie?

Die Chromatografie ist ein Trennverfahren, bei dem Stoffe in ihre Bestandteile getrennt werden. Die Dünnschichtchromatografie ist eine Art der Chromatografie. Was für eine Dünnschichtchromatografie benötigt wird, ist in der folgenden Liste zusammengefasst.

  • Dünnschichtchromatografie-Platte (DC-Platte): Glasplatte, auf der die stationäre Phase aufgetragen wird
  • Stationäre Phase: Als stationäre Phase kann beispielsweise Kieselgel verwendet werden.
  • Probe: die zu untersuchende Probe, die aufgetrennt werden soll
  • Glaskapillare: Stäbchen zum punktförmigen Auftragen des Gemisches auf die Startlinie der DC-Platte
  • Becherglas: Becherglas, das die mobile Phase enthält und verschlossen ist
  • Mobile Phase (Laufmittel): Die Probe wird in einem Lösungsmittel gelöst. Daraus ergibt sich die mobile Phase. Als mobile Phase kannst du beispielsweise eine Mischung aus Petrolether (unpolar), Wasser (polar) und Isopropanol (polar) verwenden. Da das Laufmittel zum großen Teil aus Petrolether besteht, handelt es sich um ein unpolares Laufmittel.

Dünnschichtchromatografie der Blattfarbstoffe

Bei der Durchführung des Versuchs empfiehlt es sich, ein Versuchsprotokoll für die Chromatografie der Blattfarbstoffe zu verwenden, um einen Überblick zu bewahren. Im weiteren Text werden die Durchführung, Erklärung und Auswertung der Chromatografie der Blattfarbstoffe behandelt.

Versuch Chromatografie der Blattfarbstoffe

Damit du die Blattfarbstoffe eines Blatts auftrennen kannst, gibst du die Blätter zunächst in einen Mörser mit einem Gemisch aus Aceton $(\ce{C3H6O})$ und Petrolether (Gemisch aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen). Diese Mischung wird auf den unteren Rand der Dünnschichtchromatografie-Platte mit der stationären Phase aufgetragen. Mit einem feinen Bleistift kannst du die Startlinie kennzeichnen.

Anschließend bereitest du die Chromatografie-Kammer vor: Eine Mischung aus Petrolether mit Wasser und Isopropanol ($\ce{C3H8O}$) gibst du in die Kammer, sodass die Flüssigkeit etwa $\pu{5 mm}$ hoch den Boden bedeckt. Dann schließt du die Kammer und lässt sie einige Minuten stehen. Der Luftraum der Kammer füllt sich nun mit der verdampfenden Flüssigkeit. Man sagt auch, dass der Raum nun mit den Lösungsmitteln gesättigt ist.

Dann stellst du die Chromatografie-Platte in die Kammer.
Achtung: Der Farbstoffextrakt und die Startlinie dürfen nicht in die Flüssigkeit eintauchen.

Alle Versuchsschritte sind dir hier noch einmal zusammengefasst:

  • Blätter mit Aceton und Petrolether in einem Mörser zu einem Gemisch zerkleinern
  • Extrakt auf die Dünnschichtchromatografie-Platte auftragen und Startlinie kennzeichnen
  • Chromatografie-Kammer mit Petrolether, Wasser und Isopropanol bis zu einer Höhe von $\pu{5 mm}$ füllen und die Kammer schließen
  • Dünnschichtchromatografie-Platte in die Flüssigkeit eintauchen, sodass sich der Extrakt und die Startlinie nicht in der Flüssigkeit befinden. Der Versuch startet.

Was passiert während der Chromatografie?

Das Lösungsmittel aus der Kammer wandert nun aufgrund der Kapillarkraft entlang der Dünnschichtchromatografie-Platte empor. Die Kapillarkraft ist die Kraft, die auch dafür verantwortlich ist, dass poröse Gegenstände wie Papier oder Stoff Wasser aufsaugen. Weil das Lösungsmittel entlang der stationären Phase läuft, wird es auch als Laufmittel bei der Chromatografie der Blattfarbstoffe bezeichnet. Wenn du nun einige Zeit wartest, kannst du sehen, dass sich die Blattfarbstoffe auftrennen.

Doch warum trennen sich die Farbstoffe überhaupt? Einfach erklärt binden die unterschiedlichen Farbstoffe unterschiedlich stark an Lösungsmittel bzw. stationäre Phase. Dadurch werden sie unterschiedlich stark von dem Lösungsmittel entlang der Dünnschichtchromatografie-Platte mitgezogen. Farbstoffe, die sich gut in dem Lösungsmittel gelöst haben, befinden sich weit oben in dem Chromatogramm. Das Chromatogramm ist das Ergebnis der Chromatografie.

Bei dem Versuch haben wir ein stark unpolares Lösungsmittel und eine polare stationäre Phase verwendet. Somit lösen sich unpolare Blattfarbstoffe sehr gut und befinden sich im Chromatogramm weit oben.

Wenn du genau verstehen möchtest, was bei einer Dünnschichtchromatografie passiert, kannst du dir das zugehörige Video dazu ansehen.

Getrennte Blattfarbstoffe im Chromatogramm

Am Ende des Versuchs sind auf der Dünnschichtchromatografie-Platte orange, grüne und gelbe Farbstoffe zu erkennen. Die grünen Blattfarbstoffe heißen Chlorophylle. Die orangefarbenen Farbstoffe werden als Carotine und die gelben als Xanthophylle bezeichnet.

Auf dem Chromatogramm sind die verschiedenen Farbstoffe als sogenannte Banden zu sehen. Ganz oben befindet sich das goldgelbe Carotin. Dieses ist also sehr unpolar. Das Carotin hat sich gut in dem unpolaren Lösungsmittel gelöst und ist bis nach oben mitgewandert.
Darunter befinden sich die grünen Farbstoffe (Chlorophylle). Diese bestehen aus dem olivgrünen Phäophytin, dem blaugrünen Chlorophyll a und dem gelbgrünen Chlorophyll b.
Ganz unten findet man die gelben Xanthophylle. Diese sind sehr polar. Das Ergebnis, also das Chromatogramm, ist hier in dem Bild zu sehen:

Blattfarbstoffe Dünnschichtchromatographie

Welche Funktion haben die Blattfarbstoffe?

Mit der Dünnschichtchromatografie können also die einzelnen Blattfarbstoffe aufgetrennt werden. Doch welche Funktionen haben die einzelnen Farbstoffe? In der Tabelle kannst du sehen, welche Funktionen die Blattfarbstoffe haben.

Blattfarbstoffe Funktion
Chlorophylle a und b
  • Absorption von rotem und blauem Licht im Rahmen der Fotosynthese
  • Phäophytin
  • Elektronenweitergabe bei der Fotosynthese
  • Xanthophylle und Carotin
  • Bestandteile der Lichtsammelkomplexe
  • Sie sammeln die Lichtenergie ein und geben sie an das Photosystem (PS) weiter.
  • Absorption von Licht in einem anderen Wellenlängenbereich als Chlorophyll a und b
  • Im Herbst müssen die Bäume Energie sparen und weniger Fotosynthese betreiben. Deshalb ziehen sie das Chlorophyll aus den Blättern. Wenn die Blätter sich im Herbst bunt verfärben, wird der grüne Farbstoff Chlorophyll abgebaut und die anderen Farbstoffe des Blatts werden sichtbar. Mit der Chromatografie kannst du diese Farbstoffe auftrennen.

    Dieses Video

    In diesem Video lernst du, wie du die Blattfarbstoffe mithilfe der Dünnschichtchromatografie trennen kannst. Du erfährst, was Carotine, Xanthophylle und Chlorophylle sind. Bei dem Dünnschichtchromatografie-Verfahren lösen sich die Farbstoffe unterschiedlich stark in den Lösungsmitteln und werden deswegen aufgetrennt. Als Ergebnis erhältst du ein Chromatogramm, aus dem du ermitteln kannst, welche Blattfarbstoffe ein Blatt enthält. Ein Blatt enthält die grünen Chlorophylle, die gelben Carotine und die orangefarbenen Xanthophylle.

    Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!

    Transkript Chromatografie der Blattfarbstoffe – Chlorophyll, Carotinoide, Xanthophyll

    Chromatographie der Blattfarbstoffe

    Hallo! Die meisten Blätter sind grün, weil sie große Mengen an Chlorophyll besitzen. Aber weißt Du auch, warum sich viele Blätter im Herbst bunt verfärben? Das liegt daran, dass Blätter nicht nur grüne Blattfarbstoffe besitzen, sondern noch weitere Farbstoffe, die sonst aber nicht sichtbar sind. In diesem Video siehst du, welche Blattfarbstoffe das sind und wie man sie mittels Chromatographie auftrennen kann. Schau es Dir an!

    Um die Blattfarbstoffe auftrennen zu können, musst du sie zunächst aus einem Blatt extrahieren, also sozusagen herausziehen. Dazu zerkleinerst du zunächst grüne Blätter mit Pistel und Mörser. Anschließend gibst du ein Gemisch aus Aceton und Petrolether hinzu und schon hast du ein flüssiges Farbstoffextrakt.

    Diesen Extrakt tropfst du mit etwas Abstand vom unteren Rand auf eine Dünnschichtchromatographie-Platte auf. Diese Platten sind mit besonderen Materialien beschichtet. Weit verbreitet ist das so genannte Kieselgel.

    Stell es dir einfach als ganz feinen Sand vor. Durch die kleinen Poren zwischen den Sandkörnern, muss sich deine Probe später durchbewegen, das Kieselgel bewegt sich dabei natürlich nicht mit und bleibt fest. Darum nennt man das Kieselgel auch Stationäre-Phase und deine flüssige Probe die Mobile-Phase.

    Bevor es mit der Chromatographie losgehen kann, musst du zunächst eine Chromatographie-Kammer vorbereiten. Dazu mischst du das unpolare Lösungsmittel Petrolether mit wenig Wasser und Isopropanol gut durch. Wasser und Isopropanol sind im Gegensatz zu Petrolether polare Lösungsmittel.

    Das Gemisch füllst du nun in die Kammer, sodass der Boden etwa 5 mm hoch bedeckt ist. Die Kammer lässt du dann noch einige Minuten geschlossen stehen, damit sich der gesamte Raum mit den verdampfenden Flüssigkeiten füllt. Anschließend stellst du die Chromatographie-Platte, auf der du den Farbstoffextrakt aufgetragen hast, in die Kammer und verschließt sie wieder. Wichtig ist, dass die Start-Linie mit deinen Proben nach unten zeigt, dabei aber nicht in die Flüssigkeit eintaucht.

    Das Lösungsmittel steigt nun an der Chromatographie-Platte hinauf und zieht die Blattfarbstoffe mit. Weil das Lösungsmittel die Platte hinauf “läuft”, nennt man es auch Laufmittel. Nach einiger Zeit siehst Du, wie sich die Blattfarbstoffe in deiner Probe auftrennen.

    Hat das Lösungsmittel den oberen Rand der Chromatographieplatte erreicht, wird diese aus der Kammer genommen. Du kannst dann sehen, dass es grüne Blattfarbstoffe, die Chlorophylle, und gelbe Farbstoffe, die Carotine und Xanthophylle, gibt.

    Ganz oben findet du das goldgelbe Carotin. Ein ganzes Stück weiter unten befinden sich die grünen Farbstoffe. Sie setzen sich aus einer olivgrünen Bande (Phäophytin), einer blaugrünen Bande (Chlorophyll a) und einer gelbgrünen Bande (Chlorophyll b) zusammen. Knapp darunter befinden sich die gelben Banden der Xantophylle.

    Aber wie kommt es, dass die verschiedenen Blattfarbstoffe so unterschiedlich schnell auf der Chromatographieplatte wandern? Das liegt daran, dass sie unterschiedlich stark von dem unpolaren Lösungsmittel mitgezogen werden. Vereinfacht kann man sagen: sehr unpolare Farbstoffe sind gut in unpolaren Lösungsmitteln löslich und werden daher stark mitgezogen. Du findest sie oben auf der Chromatographieplatte.

    Und andersherum: Polare Blattfarbstoffe sind in unpolarem Lösungsmittel weniger gut löslich und werden nicht so stark mitgezogen. Du findest sie unten auf der Chromatographieplatte. Carotin ist also sehr unpolar, während die Chlorophylle polarer sind. Die Xanthophylle sind demnach also noch polarer als die Chlorophylle da sie noch weiter unten sind.

    Aber welche Funktion haben die einzelnen Blattfarbstoffe eigentlich? Die Chlorophylle a und b kennst du als Bestandteile der Photosysteme. Chlorophylle absorbieren Licht im roten und blauen Bereich des Spektrums und sind Bestandteil der Lichtreaktion der Fotosynthese. Phäophytin ist ein Abbauprodukt der Chlorophylle, das bei der Extraktion der Farbstoffe entsteht.

    Die Xanthophylle und Carotin sind Bestandteile von sogenannten Lichtsammelkomplexen. Diese sind dafür zuständig, dass sie Lichtenergie einsammeln und an die Photosysteme weitergeben. Xanthophylle und Carotin können Licht in einem anderen Wellenlängenbereich absorbieren als Chlorophyll a und b und können die Energie dann auf die Chlorophylle übertragen. So kann eine Pflanze auch in Wellenlängenbereichen fotosynthetisch aktiv sein, in denen die Chlorophylle gar nicht absorbieren.

    Jetzt kannst du Dir sicher auch vorstellen, woher die bunte Färbung der Blätter im Herbst kommt. Laubbäume werfen im Herbst ihre Blätter ab. Vor dem Abwerfen werden alle Substanzen des Blattes abgebaut und die Energie daraus wird zum Beispiel in der Wurzel gespeichert.

    Die Pflanze beginnt damit, das grüne Chlorophyll der Blätter abzubauen, so dass die anderen Blattfarbstoffe, die sonst natürlich auch in dem Blatt vorliegen, sichtbar werden, zudem entstehen Abbauprodukte mit einer anderen Färbung. So ist die gelb-rote Herbstfärbung vieler Blätter zu erklären.

    Außerdem hast du gelernt, dass du Blattfarbstoffe wie Chlorophyll, Carotin oder Xanthophyll per Dünnschichtchromatographie ganz leicht auftrennen kannst.

    Tschüss und bis bald!

    9 Kommentare

    9 Kommentare
    1. Hallo Danerexha,
      vielen Dank für dein Kommentar. Schön, dass dir das Video weitergeholfen hat. In der Auswertung fasst du deine aus dem Versuch erhaltenen Ergebnisse kurz und knapp zusammen. Basierend auf deinen Ergebnissen beantwortest du dann die am Anfang gestellte Frage, in deinem Fall "Enthalten grüne Blätter einen oder mehrere Farbstoffe?".
      Ich hoffe, ich könnte dir mit diesem kleinen Tipp bei der Anfertigung deines Protokolls weiterhelfen!
      Liebe Grüße
      Dein Sofatutor

      Von Laura S., vor mehr als 2 Jahren
    2. Hallo, also das Video war hilfreich :)
      Jedoch muss ich ein Protokoll anfertigen zu diesem Experiment und weiß noch nicht ganz was ich in die Auswertung schreiben soll, könnten sie helfen?
      Die Themen Frage war ob grüne Blätter einen oder mehrere blattfarbstoffe enthalten.
      LG und Dankeschön

      Von Danerexha, vor mehr als 2 Jahren
    3. Super Video, ich hätte allerdings noch eine Frage: In welchem Verhältnis muss ich das Fließmittel mischen?

      LG

      Von Daniel 58, vor mehr als 2 Jahren
    4. hallo

      hallo

      Von Marioarangio, vor mehr als 3 Jahren
    5. Text und Bild laufen asynchron. BITTE korrigieren
      Danke
      abrico@web.de

      Von Deleted User 300480, vor etwa 7 Jahren
    Mehr Kommentare

    Chromatografie der Blattfarbstoffe – Chlorophyll, Carotinoide, Xanthophyll Übung

    Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Chromatografie der Blattfarbstoffe – Chlorophyll, Carotinoide, Xanthophyll kannst du es wiederholen und üben.
    • Beschreibe den Versuchsaufaufbau bei der Chromatographie der Blattfarbstoffe.

      Tipps

      Die mobile Phase ist die Probe.

      Die stationäre Phase ist das Kieselgel auf der Platte.

      Lösung

      Der Aufbau des Versuches besteht aus einer Chromatographiekammer, die mit einem Laufmittel gefüllt wurde. In diese wird eine Kieselgelplatte gestellt, auf die zuvor die Probe aufgetragen wurde. Die Probe bezeichnet man auch als mobile Phase, weil sie im Verlauf des Versuches über die Platte wandert. Sie enthält die Blattfarbstoffe, welche mit der Zeit auf der Platte aufgetrennt werden. Das Kieselgel hingegen wird als stationäre Phase bezeichnet.

    • Nenne die Blattfarbstoffe, die mithilfe der Dünnschichtchromatographie aufgetrennt werden.

      Tipps

      Der Farbstoff $\beta$-Carotin kommt in großen Mengen in Karotten vor.

      Je besser sich ein Farbstoff im Lösungsmittel lösen kann, desto weiter wird es auf der Platte getragen.

      Bei der Löslichkeit gilt:

      Gleich und Gleich gesellt sich gern.

      Lösung

      Das Ergebnis des Versuches zeigt die aufgetrennten Blattfarbstoffe. Doch wie können sie identifiziert werden?

      Das verwendete Lösungsmittel ist unpolar. Da sich Gleiches in Gleichem löst, kann man davon ausgehen, dass unpolare Blattfarbstoffe am weitesten laufen. Daher befinden sich ganz oben auf der Platte die Carotine.

      Die Chlorophylle weisen unter den Blattfarbstoffen eine mittlere Polarität auf. Man erkennt sie außerdem an ihrer grünlichen Farbe.

      Ganz unten befinden sich die Xantophylle mit der höchsten Polarität und somit mit der geringsten Löslichkeit im verwendeten Lösungsmittel.

    • Erkläre die Funktionen der Blattfarbstoffe.

      Tipps

      Ein Provitamin ist eine Vorstufe eines Vitamins, die zu diesem Vitamin verarbeitet werden kann.

      Auch die Carotine und die Xanthophylle absorbieren Licht, aber in anderen Wellenlängenbereichen als Chloropyhll.

      Es handelt sich um das Provitamin A, welches in besonders großen Mengen in Karotten vorhanden ist.

      Lösung

      Am häufigsten sind die Chlorophylle a und b. Sie sind Teil der Lichtsammelkomplexe, welche eine wichtige Rolle in der Fotosynthese spielen. Die Chlorophylle bilden zudem auch die beiden Zentralmoleküle in diesen Komplexen und spielen daher eine zentrale Rolle in der Lichtreaktion der Fotosynthese. Des Weiteren sind die Chlorophylle dafür verantwortlich, dass Pflanzen uns grün erscheinen, denn sie absorbieren blaues und rotes Licht.

      Die Carotine sind ebenfalls Teil der Lichtsammelkomplexe. Dort leiten sie Elektronen zu den Zentralatomen weiter. Außerdem schützen sie die Chlorophyllmoleküle vor überschüssiger Energie aus dem Sonnenlicht. Das ß-Carotin wird auch als Provitamin A bezeichnet, denn es kann von unserem Körper, wenn wir es über die Nahrung aufnehmen, leicht zu Vitamin A umgebaut werden. Das ß-Carotin hat eine rote Färbung und kommt in großen Mengen in Karotten vor.

      Die Xantophylle sind, genauso wie die anderen Blattfarbstoffe, Teil der Lichtsammelkomplexe. Genauso wie die Carotine vergrößern sie somit das Gesamtabsorptionspektrum der Pflanzen. Dies steigert die Effektivität der Fotosynthese. Ebenfalls wie die Carotine, besitzen auch die Xantophylle eine Schutzfunktion.

    • Ermittle die Funktionsweise der Dünnschichtchromatographie.

      Tipps

      Ein Merksatz lautet:

      Gleiches löst sich in Gleichem.

      Ist ein Stoff im Laufmittel gut lösbar, wird er von diesem mitgetragen.

      Lösung

      Vielen Dank für deine Hilfe!

      Die Dünnschichtchromatographie ist eines von vielen chemischen Trennverfahren. Es ermöglicht die Auftrennung von Stoffgemischen nach ihrer Polarität.

      Alle chromatographischen Verfahren basieren auf zwei Phasen, einer mobilen und einer stationären Phase. Bei der Dünnschichtchromatographie wird die Probe auf die stationäre Phase, die Kieselgelplatte, aufgetragen. Die mobile Phase, also das Laufmittel in Form eines organischen Lösungsmittels, transportiert die Bestandteile der Probe mithilfe der Kapillarkräfte über die Platte.

      Dabei gilt: Je besser sich die Substanz im Laufmittel löst, desto weiter läuft die Probe. Da sich Gleiches am besten in Gleichem löst, sind Stoffe mit geringer Polarität besser löslich im unpolaren organischen Lösungsmittel und laufen weiter. Zudem adsorbieren polare Stoffe fester auf der Kieselgeloberfläche und haben auch daher eine geringere Laufstrecke.

    • Beschreibe die Extraktion der Blattfarbstoffe.

      Tipps

      Das sind ein Mörser und ein Pistill.

      Lösung

      Die Extraktion der Blattfarbstoffe vor der Chromatographie ist ein wichtiger Schritt dieses Versuchs.

      Die Blattfarbstoffe werden durch das Zerstoßen im Mörser aus den Zellen der Blattfarbstoffe freigesetzt. Sie können sich direkt in dem vorhandenen Lösungsmittel lösen. Die anschließende Filtration ist wichtig, damit größere Blattreste die Chromatographie nicht stören.

    • Analysiere die Wirkung verschiedener Lösungsmittel auf das Ergebnis der Dünnschichtchromatographie.

      Tipps

      Die Blattfarbstoffe selbst sind alle eher unpolar.

      Polarität der Lösungsmittel: Wasser > Isopropanol > Petrolether

      „Gleiches löst sich am besten in Gleichem.“

      Lösung

      Wasser ist ein stark polares Lösungsmittel. Da die Blattfarbstoffe eher unpolar sind, lösen sie sich nur schlecht im Wasser. Während der Dünnschichtchromatographie ist ihre Laufstrecke daher gering. Wasser ist somit nicht geeignet für dieses Trennverfahren.

      Isopropanol ist ein Alkohol und damit ein polares Lösungsmittel. Es ist allerdings weniger polar als Wasser. Deswegen können sich die Blattfarbstoffe etwas besser lösen und wandern über die Platte. Die Polarität ist aber noch zu hoch, um die Stoffe klar sichtbar zu trennen.

      Petrolether ist eine Mischung verschiedener organischer Substanzen. Alle diese Substanzen haben gemeinsam, dass sie sehr unpolar sind. Die unpolaren Blattfarbstoffe können sich sehr gut darin lösen. Manche allerdings noch besser als andere, deswegen lassen sie sich mit diesem Lösungsmittel sehr gut auftrennen.

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