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Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 7-8, G-Niveau

Zentrifugation - Chemie

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.

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.

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.

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.

Aufbau einer Laborzentrifuge

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

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.

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 $g$ angegeben.

Für die Zentripetalbeschleunigung gilt:

$a = ω^{2} \cdot r$

Dabei ist $ω$ die Winkelgeschwindigkeit und $r$ der Abstand von der Drehachse.

Für Laborangaben kann näherungsweise gerechnet werden:

$R C F = 1,118 \cdot 1 0^{- 5} \cdot r_{c m} \cdot n_{r p m}^{2}$

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

Welche Gemische lassen sich trennen?

Zentrifugation eignet sich besonders für heterogene Gemische.

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 Lösungen mit vollständig gelösten Teilchen ist eine einfache Schulzentrifuge meist ungeeignet.

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.

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.

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

Besondere Verfahren

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.

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.

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.

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.

Vergleich mit anderen Trennverfahren

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.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

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)

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

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

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

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)

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)

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

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

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)

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

Memory

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

Drag and Drop

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

Kreuzworträtsel

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?

LearningApps

Lückentext

Offene Aufgaben

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.

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.

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.

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.

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.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

Zentrifugation

aiMOOC-Projekte

Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
Baden-Württemberg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Mittlere Reife Der Markisenmann - Jan Weiler oder Als die Welt uns gehörte - Liz Kessler Ein Schatten wie ein Leopard - Myron Levoy oder Pampa Blues - Rolf Lappert	Abitur Dorfrichter-Komödie über Wahrheit/Schuld; Roman über einen Ort und deutsche Geschichte. Mittlere Reife Wahllektüren (Roadtrip-Vater-Sohn / Jugendroman im NS-Kontext / Coming-of-age / Provinzroman).
Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.