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2026-07-26T18:43:52Z

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= Zentrifugation - Chemie =

[[Datei:Tabletop centrifuge.jpg|500px|rahmenlos|center]]

{{BR}}
= Einleitung =

Die '''Zentrifugation''' ist ein physikalisches [[Trennverfahren]]. Dabei wird ein Stoffgemisch sehr schnell gedreht. Bestandteile mit unterschiedlicher [[Dichte]], Größe oder Form bewegen sich im Zentrifugalfeld unterschiedlich. So lassen sich zum Beispiel Feststoffe aus einer [[Suspension]] oder zwei nicht mischbare Flüssigkeiten einer [[Emulsion]] trennen.

Du kennst das Prinzip aus dem Alltag: Eine Salatschleuder trennt Wasser von Salatblättern, eine Waschmaschine schleudert Wasser aus der Wäsche und ein Milchseparator trennt Rahm von Magermilch.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=W66TqZOi2sc |500|center}}

{{BR}}
== Lernziele ==

Nach diesem aiMOOC kannst Du die Zentrifugation als Trennverfahren erklären, geeignete Stoffgemische erkennen, Pellet und Überstand unterscheiden, einfache Berechnungen zur Zentrifugalbeschleunigung nachvollziehen und wichtige Sicherheitsregeln anwenden.

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= Grundprinzip =

In einer Zentrifuge drehen sich Proben um eine Achse. Im mitrotierenden Bezugssystem erscheint eine nach außen gerichtete '''Zentrifugalkraft'''. Dichtere oder größere Teilchen wandern meist schneller nach außen als weniger dichte Bestandteile. Dadurch wird die natürliche [[Sedimentation]] stark beschleunigt.

[[Datei:Imagecentrifugation.svg|500px|rahmenlos|center]]

Bei einer Feststoff-Flüssigkeits-Suspension entsteht häufig:

# '''Pellet''': der abgesetzte Feststoff an der äußeren beziehungsweise unteren Gefäßwand
# '''Überstand''': die darüberliegende Flüssigkeit, auch Zentrat oder Zentrifugat genannt

Das Ergebnis hängt nicht nur von der Dichte ab. Auch Teilchengröße, Teilchenform, Viskosität der Flüssigkeit, Drehzahl, Rotorradius, Laufzeit und Temperatur beeinflussen die Trennung.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=mZU6it6-_B0 |500|center}}

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= Aufbau einer Laborzentrifuge =

Eine typische Laborzentrifuge besteht aus Motor, Rotor, Probengefäßen, Deckelverriegelung und Steuerung. Je nach Aufgabe werden Festwinkelrotoren oder Ausschwingrotoren eingesetzt.

[[Datei:Close-up of a centrifuge rotor.jpg|500px|rahmenlos|center]]

# '''Festwinkelrotor''': Die Gefäße stehen schräg. Teilchen bilden meist ein Pellet an der äußeren Gefäßwand.
# '''Ausschwingrotor''': Die Gefäße schwingen während der Drehung in eine waagerechte Lage.
# '''Mikrozentrifuge''': Sie verarbeitet kleine Probenmengen, oft in Reaktionsgefäßen.
# '''Ultrazentrifuge''': Sie erzeugt sehr hohe Beschleunigungen und kann besonders kleine Teilchen trennen.

[[Datei:Microcentrifuge Rotor with Tubes.jpg|500px|rahmenlos|center]]

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= Drehzahl, Radius und RCF =

Die Drehzahl wird meist in '''Umdrehungen pro Minute''' angegeben. Die Abkürzung lautet rpm. Für die Trennwirkung ist jedoch die '''relative Zentrifugalbeschleunigung''' RCF aussagekräftiger. Sie wird als Vielfaches der Erdbeschleunigung <math>g</math> angegeben.

Für die Zentripetalbeschleunigung gilt:

<math>a = \omega^2 \cdot r</math>

Dabei ist <math>\omega</math> die Winkelgeschwindigkeit und <math>r</math> der Abstand von der Drehachse.

Für Laborangaben kann näherungsweise gerechnet werden:

<math>\mathrm{RCF} = 1{,}118 \cdot 10^{-5} \cdot r_{\mathrm{cm}} \cdot n_{\mathrm{rpm}}^2</math>

Bei einem Radius von 10 cm und 3000 rpm entstehen ungefähr <math>1006\,g</math>. Weil die Drehzahl quadriert wird, vervierfacht eine Verdopplung der Drehzahl die RCF.

{{BR}}
= Welche Gemische lassen sich trennen? =

Zentrifugation eignet sich besonders für [[Heterogenes Gemisch|heterogene Gemische]].

{| class="wikitable"
! Gemisch
! Beispiel
! Ergebnis
|-
| Feststoff in Flüssigkeit
| Kreide in Wasser
| Pellet und Überstand
|-
| Flüssigkeit in Flüssigkeit
| Fetttröpfchen in Milch
| Flüssigkeitsphasen unterschiedlicher Dichte
|-
| Zellen in Flüssigkeit
| Blutprobe
| Zellbestandteile und Plasma
|-
| Feine Partikel in Flüssigkeit
| Zellhomogenat
| Fraktionen unterschiedlicher Größe und Dichte
|}

Zentrifugation trennt Stoffe nicht durch eine chemische Reaktion. Sie nutzt vor allem physikalische Unterschiede. Bei echten homogenen [[Lösung|Lösungen]] mit vollständig gelösten Teilchen ist eine einfache Schulzentrifuge meist ungeeignet.

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= Ablauf einer Zentrifugation =

# Geeignete, unbeschädigte Zentrifugenröhrchen auswählen.
# Proben und Gegengefäße auf gleiche Masse bringen.
# Gefäße symmetrisch gegenüberliegend in den Rotor einsetzen.
# Deckel schließen und passende RCF, Zeit und gegebenenfalls Temperatur einstellen.
# Zentrifuge vollständig auslaufen lassen.
# Röhrchen vorsichtig entnehmen, damit das Pellet nicht aufgewirbelt wird.
# Überstand abgießen oder mit einer Pipette abnehmen.

[[Datei:Centrifuge swinging bucket balancing (labeled).jpg|500px|rahmenlos|center]]

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= Sicherheit =

Eine falsch beladene Zentrifuge kann stark vibrieren und beschädigt werden. Im Schul- und Ausbildungslabor darfst Du sie nur nach Einweisung und unter Aufsicht benutzen.

# Gefäße immer nach '''Masse''' ausgleichen und symmetrisch einsetzen.
# Nur passende, verschlossene und unbeschädigte Röhrchen verwenden.
# Schutzbrille und weitere vorgeschriebene Schutzausrüstung tragen.
# Den Deckel niemals während des Laufs öffnen.
# Bei ungewöhnlichen Geräuschen oder starken Vibrationen sofort stoppen und die Lehrkraft informieren.
# Rotor und Gefäße erst berühren, wenn alles vollständig stillsteht.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=aU5lw2cqxsI |500|center}}

{{BR}}
= Anwendungen =

Die Zentrifugation wird in Chemie, Biologie, Medizin, Lebensmitteltechnik und Industrie eingesetzt.

# [[Analytische Chemie]]: Abtrennen von Niederschlägen oder störenden Feststoffen
# [[Biochemie]]: Gewinnung von Zellen, Zellorganellen, Proteinen oder Nukleinsäuren
# [[Medizin]]: Trennung von Blutbestandteilen
# [[Lebensmittelchemie]]: Trennung von Rahm und Milch
# [[Umweltchemie]]: Aufbereitung von Schlämmen und Wasserproben
# [[Verfahrenstechnik]]: kontinuierliche Trennung großer Stoffmengen

[[Datei:Milk centrifuge.jpg|500px|rahmenlos|center]]

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= Besondere Verfahren =

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== Differentielle Zentrifugation ==

Eine Probe wird mehrfach mit steigender RCF zentrifugiert. Große und dichte Bestandteile bilden zuerst ein Pellet. Kleinere Bestandteile werden erst bei höheren Beschleunigungen abgetrennt.

{{BR}}
== Dichtegradientenzentrifugation ==

Die Probe wird auf einen Flüssigkeitsgradienten mit veränderlicher Dichte gegeben. Teilchen wandern bis zu einer passenden Zone oder trennen sich nach ihrer Sedimentationsgeschwindigkeit. Das Verfahren wird häufig zur Trennung biologischer Makromoleküle und Zellbestandteile genutzt.

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== Ultrazentrifugation ==

Ultrazentrifugen erreichen sehr hohe Drehzahlen. Damit können sehr kleine Teilchen und Makromoleküle untersucht oder getrennt werden. Der Rotor läuft häufig gekühlt und in einer Vakuumkammer, um Reibung und Erwärmung zu vermindern.

[[Datei:Ultracentrifuge.jpg|500px|rahmenlos|center]]

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= Modellversuch für die Schule =

Eine Salatschleuder zeigt das Grundprinzip ohne Laborzentrifuge. Lege feuchte Salatblätter hinein, schließe den Deckel und drehe die Schleuder. Das Wasser gelangt durch die Öffnungen nach außen, während die Blätter im Korb bleiben.

Für eine Laborprobe mit Kreide und Wasser ist eine Schulzentrifuge erforderlich. Dieser Versuch darf nur mit geeigneten Röhrchen, korrekt ausgeglichener Beladung und unter Aufsicht durchgeführt werden.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=agX_gqE3KjU |500|center}}

{{BR}}
= Vergleich mit anderen Trennverfahren =

{| class="wikitable"
! Verfahren
! Genutzte Eigenschaft
! Typisches Beispiel
|-
| [[Sedimentieren]]
| Dichte und Schwerkraft
| Sand setzt sich in Wasser ab
|-
| [[Dekantieren]]
| bereits getrennte Phasen
| klare Flüssigkeit wird abgegossen
|-
| [[Filtration]]
| Teilchengröße
| Feststoff bleibt im Filter
|-
| [[Zentrifugation]]
| Dichte, Größe und Sedimentationsverhalten
| feine Feststoffe werden schneller abgetrennt
|}

Die Zentrifugation ist oft schneller als das Sedimentieren. Gegenüber der Filtration ist sie hilfreich, wenn feine oder gelartige Feststoffe einen Filter schnell verstopfen würden.

{{BR}}
= Interaktive Aufgaben =

{{BR}}
== Quiz: Teste Dein Wissen ==

{{MC}}

'''Welchen Zweck hat die Zentrifugation?'''
(Sie trennt Bestandteile eines Gemisches durch schnelle Rotation)
(!Sie erzeugt neue chemische Elemente)
(!Sie löst jeden Feststoff vollständig auf)
(!Sie misst ausschließlich die Temperatur)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Stoffeigenschaft ist für viele Zentrifugationen besonders wichtig?'''
(Die Dichte)
(!Die Farbe)
(!Der Geruch)
(!Die Brennbarkeit)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Wie heißt der abgesetzte Feststoff im Zentrifugenröhrchen?'''
(Pellet)
(!Destillat)
(!Filtrat)
(!Extrakt)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Wie heißt die Flüssigkeit über dem Pellet?'''
(Überstand)
(!Kristall)
(!Rückstand)
(!Adsorbens)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Warum müssen Zentrifugenröhrchen ausgeglichen werden?'''
(Damit der Rotor ruhig und sicher läuft)
(!Damit die Probe ihre Farbe ändert)
(!Damit eine chemische Reaktion startet)
(!Damit das Röhrchen erwärmt wird)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was geschieht mit der RCF, wenn die Drehzahl verdoppelt wird?'''
(Sie wird ungefähr viermal so groß)
(!Sie bleibt gleich)
(!Sie halbiert sich)
(!Sie wird ungefähr doppelt so groß)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Einheit beschreibt die Drehzahl einer Zentrifuge?'''
(Umdrehungen pro Minute)
(!Gramm pro Liter)
(!Grad Celsius)
(!Mol pro Sekunde)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welches Gemisch eignet sich für eine einfache Schulzentrifugation?'''
(Kreide in Wasser)
(!Kochsalzlösung ohne Bodensatz)
(!Reines destilliertes Wasser)
(!Reiner Sauerstoff)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Wann darf der Deckel einer Zentrifuge geöffnet werden?'''
(Wenn der Rotor vollständig stillsteht)
(!Während der höchsten Drehzahl)
(!Sobald die Probe vibriert)
(!Direkt nach dem Start)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was kennzeichnet eine differentielle Zentrifugation?'''
(Mehrere Läufe mit steigender Zentrifugalbeschleunigung)
(!Eine einzige Filtration durch Papier)
(!Das Verdampfen des Lösungsmittels)
(!Das Sortieren nach Farbe)

{{E}}
<br>

{{BR}}
== Memory ==

<div class="memo-quiz">
{|
|-
| Pellet || Abgesetzte feste Fraktion
|-
| Überstand || Flüssigkeit über dem Bodensatz
|-
| Rotor || Drehendes Bauteil der Zentrifuge
|-
| RCF || Vielfaches der Erdbeschleunigung
|-
| Suspension || Feststoffteilchen in einer Flüssigkeit
|-
| Festwinkelrotor || Schräg angeordnete Probengefäße
|-
| Ausschwingrotor || Gefäße schwingen nach außen
|-
| Ultrazentrifuge || Gerät für besonders hohe Beschleunigungen
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== Drag and Drop ==

<div class="lueckentext-quiz">

{| class="wikitable"
! Ordne die richtigen Begriffe zu.
! Bedeutung
|-
| '''Ausgleichen'''
| Gegenüberliegende Gefäße auf gleiche Masse bringen
|-
| '''Beschleunigen'''
| Rotor auf die eingestellte Drehzahl bringen
|-
| '''Sedimentieren'''
| Dichtere Teilchen nach außen wandern lassen
|-
| '''Abbremsen'''
| Rotor kontrolliert zum Stillstand bringen
|-
| '''Dekantieren'''
| Überstand vorsichtig vom Pellet trennen

|}
{{E}}

<br>
<br />

{{BR}}
== Kreuzworträtsel ==

<div class="kreuzwort-quiz">
{|
|-
| Zentrifuge || Welches Gerät dreht Proben sehr schnell?
|-
| Rotor || Welches Bauteil nimmt die Probengefäße auf?
|-
| Pellet || Wie heißt der abgesetzte Feststoff?
|-
| Überstand || Wie heißt die Flüssigkeit über dem Bodensatz?
|-
| Dichte || Welche Stoffeigenschaft ist besonders wichtig?
|-
| Suspension || Wie heißt ein Gemisch aus Feststoffteilchen und Flüssigkeit?
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== LearningApps ==

<iframe> https://learningapps.org/index.php?s=Zentrifugation+Chemie </iframe>

{{BR}}
== Lückentext ==

<quiz display=simple>
{'''Vervollständige den Text.'''<br>
|type="{}"}
Die Zentrifugation ist ein physikalisches { Trennverfahren }. Eine schnell rotierende Zentrifuge beschleunigt die { Sedimentation }. Der abgesetzte Feststoff heißt { Pellet }. Die Flüssigkeit darüber wird { Überstand } genannt. Probengefäße müssen vor dem Start nach ihrer { Masse } ausgeglichen werden. Die Trennwirkung hängt unter anderem von Drehzahl und { Radius } ab. Die relative Zentrifugalbeschleunigung wird mit { RCF } abgekürzt. Der Deckel darf erst nach vollständigem { Stillstand } geöffnet werden.
</quiz>

<br>

{{BR}}
= Offene Aufgaben =

{{BR}}
=== Leicht ===

# [[Alltagszentrifuge]]: Finde drei Geräte im Alltag, die nach dem Prinzip der Zentrifugation arbeiten, und erkläre ihre Wirkung.
# [[Begriffsplakat]]: Gestalte ein Plakat mit den Begriffen Zentrifuge, Rotor, Pellet, Überstand und RCF.
# [[Skizze eines Röhrchens]]: Zeichne ein Zentrifugenröhrchen vor und nach der Trennung einer Kreidesuspension.
# [[Sicherheitskarte]]: Erstelle eine kompakte Karte mit sechs Regeln für sicheres Zentrifugieren.

{{BR}}
=== Standard ===

# [[Trennverfahren vergleichen]]: Vergleiche Zentrifugation, Filtration und Sedimentation an einem selbst gewählten Stoffgemisch.
# [[Versuchsprotokoll]]: Plane ein Versuchsprotokoll zur Trennung von Kreide und Wasser mit einer Schulzentrifuge.
# [[Erklärvideo Zentrifugation]]: Produziere ein einminütiges Erklärvideo zum Unterschied zwischen Pellet und Überstand.
# [[RCF berechnen]]: Berechne die RCF für drei Kombinationen aus Radius und Drehzahl und stelle die Ergebnisse in einem Diagramm dar.

{{BR}}
=== Schwer ===

# [[Fehleranalyse Zentrifuge]]: Untersuche ein Fallbeispiel mit ungleich beladenem Rotor und leite mögliche Folgen und Gegenmaßnahmen ab.
# [[Dichtegradient planen]]: Entwickle ein Modell, das die Trennung mehrerer Teilchensorten in einem Dichtegradienten erklärt.
# [[Laborinterview]]: Befrage eine Fachkraft aus Chemie, Biologie oder Medizin zur Nutzung von Zentrifugen und werte die Antworten aus.
# [[Industriezentrifugation]]: Recherchiere eine industrielle Anwendung und erstelle ein Fließschema mit Stoffströmen und Trennprodukten.

{{:Offene Aufgabe - MOOC erstellen}}

{{BR}}
= Lernkontrolle =

# [[Trennentscheidung]]: Begründe, ob Du für Kreidewasser, Salzwasser und Milch jeweils Zentrifugation einsetzen würdest.
# [[Versuchsplanung]]: Plane eine sichere Zentrifugation von vier Proben und erkläre die Anordnung im Rotor.
# [[Parameterwirkung]]: Erkläre, wie Drehzahl, Radius, Laufzeit und Viskosität das Trennergebnis beeinflussen.
# [[Fehlerdiagnose]]: Eine Zentrifuge vibriert stark. Entwickle eine begründete Reihenfolge sicherer Reaktionen.
# [[Transfer Alltag Labor]]: Übertrage das Prinzip einer Salatschleuder auf eine Laborzentrifuge und benenne Gemeinsamkeiten und Grenzen.
# [[Methodenwahl]]: Entscheide für ein feinteiliges, gelartiges Feststoff-Flüssigkeits-Gemisch zwischen Filtration und Zentrifugation und begründe Deine Wahl.

<br>
<br>

{{BR}}
= Lernnachweis =

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

# die Zentrifugation fachsprachlich erklären kannst,
# geeignete und ungeeignete Stoffgemische unterscheiden kannst,
# Pellet, Überstand, Rotor, rpm und RCF korrekt verwendest,
# eine symmetrische und massengleiche Beladung planen kannst,
# Sicherheitsregeln begründen kannst,
# einfache RCF-Berechnungen durchführen oder deuten kannst,
# die Methode mit Filtration, Sedimentation und Dekantieren vergleichen kannst,
# eine Anwendung aus Labor, Medizin oder Industrie auf das Grundprinzip zurückführen kannst.

<br>
<br>

{{BR}}
= OERs zum Thema =

<iframe> https://de.m.wikipedia.org/wiki/Zentrifuge </iframe>

<br>

{{BR}}
= Verknüpfte Lernbereiche =

{| align=center
{{:D-Tab}}
'''[[Zentrifugation]]'''
# [[Stoffgemisch]]
# [[Trennverfahren]]
# [[Suspension]]
# [[Emulsion]]
# [[Dichte]]
# [[Sedimentation]]
# [[Laborgeräte]]
# [[Arbeitssicherheit]]
# [[Analytische Chemie]]
|}

[[Kategorie:Chemie]]
[[Kategorie:Trennverfahren]]
[[Kategorie:Labor]]
[[Kategorie:Analytische Chemie]]
[[Kategorie:Klasse 7-10]]
[[Kategorie:Schule]]

{{BR}}
= aiMOOC-Projekte =
[[Kategorie:AI_MOOC]] [[Kategorie:GPT aiMOOC]]
{{MT}}

Zentrifugation - Chemie - Versionsgeschichte

Glanz: aiMOOC über GPT aiMOOC Action erstellt