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Alles über galvanische Zellen: Aufbau, Beispiele und Reaktionsgleichungen

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Marlene

12.4.2021

Chemie

Galvanisches Element, Elektrolyse und mehr

Alles über galvanische Zellen: Aufbau, Beispiele und Reaktionsgleichungen

Die elektrochemische Grundlagen und Anwendungen in der Praxis. Die Galvanische Zelle und Elektrolyse bilden die Kernkonzepte der Elektrochemie, wobei Redox-Reaktionen die fundamentalen Prozesse darstellen.

• Redox-Reaktionen beinhalten den Elektronentransfer zwischen Reaktionspartnern
• Das Daniell-Element demonstriert die praktische Anwendung galvanischer Zellen
• Die Standard-Wasserstoff-Halbzelle dient als Referenz für Potentialmessungen
• Die elektrochemische Spannungsreihe kategorisiert Metalle nach ihrer Reaktivität
• Korrosionsschutz ist eine wichtige praktische Anwendung elektrochemischer Prinzipien

...

12.4.2021

1380

Elektrochemie
1. Redox - Reaktionen
► Reduktions-Oxidations-Gleichung
L> chemische Reaktion, bei der Elektronen von einem auf den anderen
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Galvanisches Element und Daniell-Element

In diesem Abschnitt wird der Aufbau und die Funktionsweise eines galvanischen Elements, insbesondere des Daniell-Elements, erklärt.

Ein galvanisches Element ist eine Vorrichtung zur spontanen Umwandlung chemischer in elektrische Energie. Es basiert auf einer Redox-Reaktion, bei der Oxidation und Reduktion räumlich getrennt in zwei Halbzellen ablaufen.

Definition: Ein galvanisches Element macht eine Redoxreaktion als Spannungsquelle nutzbar.

Der Aufbau eines galvanischen Elements besteht aus:

  • Zwei Halbzellen, jeweils mit einer Elektrolytlösung und einer Elektrode
  • Einem Diaphragma poro¨seTrennwandporöse Trennwand zwischen den Halbzellen
  • Einem Leitungsdraht zur Verbindung der Elektroden

Beispiel: Das Daniell-Element ist ein klassisches Beispiel für ein galvanisches Element. Es besteht aus:

  • Einer Kupferelektrode in KupferIIII-sulfat-Lösung
  • Einer Zinkelektrode in Zinksulfat-Lösung
  • Einem Diaphragma zur Trennung der Lösungen

Highlight: Die Funktion des Diaphragmas ist es, die Ionenwanderung zwischen den Lösungen zu ermöglichen, ohne dass eine schnelle Vermischung stattfindet.

Der Stromkreis in einem galvanischen Element wird durch zwei Komponenten geschlossen:

  1. Elektronenfluss über den Leitungsdraht von einer Elektrode zur anderen
  2. Ionenwanderung durch das Diaphragma

Vokabular:

  • Galvanische Zelle Aufbau: Besteht aus zwei Halbzellen, einem Diaphragma und einem Leitungsdraht.
  • Zelldiagramm galvanische Zelle: Die Schreibweise für ein Daniell-Element lautet: Zn|ZnSO₄ c=1c=1 || CuSO₄ c=1c=1|Cu
Elektrochemie
1. Redox - Reaktionen
► Reduktions-Oxidations-Gleichung
L> chemische Reaktion, bei der Elektronen von einem auf den anderen
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Standard-Wasserstoff-Halbzelle und elektrochemische Spannungsreihe

Dieser Abschnitt behandelt die Standard-Wasserstoff-Halbzelle und ihre Bedeutung für die elektrochemische Spannungsreihe.

Die Standard-Wasserstoff-Halbzelle dient als Referenz zur Ermittlung von Potentialen anderer Halbzellen. Sie besteht aus:

  • Einer Platinelektrode
  • Einer sauren Lösung H3O+H₃O⁺
  • Wasserstoffgas

Reaktionsgleichung: H₂ + 2H₂O → 2H₃O⁺ + 2e⁻

Highlight: Die Platinelektrode ist für die Reaktion irrelevant und wird bei Berechnungen nicht berücksichtigt.

Die elektrochemische Spannungsreihe ordnet Metalle und andere Redoxpaare nach ihrem Standardpotential. Sie gibt Auskunft über:

  1. Die Stärke des Oxidations- oder Reduktionsvermögens
  2. Die Edelkeit von Metallen

Vokabular:

  • Elektrochemische Spannungsreihe Tabelle: Zeigt Metalle und Redoxpaare geordnet nach ihrem Standardpotential.
  • Elektrochemische Spannungsreihe edel unedel: Unedle Metalle obenoben sind starke Reduktionsmittel, edle Metalle untenunten sind starke Oxidationsmittel.

Wichtige Aussagen zur Spannungsreihe:

  1. Je negativer das Standardpotential, desto stärker ist das Reduktionsmittel.
  2. Ein starkes Reduktionsmittel hat ein schwaches korrespondierendes Oxidationsmittel und umgekehrt.

Die Berechnung der Spannung einer galvanischen Zelle erfolgt nach der Formel: ΔE° = E°PluspolPluspol - E°MinuspolMinuspol

Beispiel: Für ein Daniell-Element: ΔE = E°Cu/Cu2+Cu/Cu²⁺ - E°Zn/Zn2+Zn/Zn²⁺ = +0,34V - 0,76V-0,76V = 1,1V

Highlight: Die "Bergab-Regel" dient als Merkhilfe zur Vorhersage von Redoxreaktionen. Elektronen werden nur "bergab" von dem höher stehenden Redoxpaar übertragen.

Elektrochemie
1. Redox - Reaktionen
► Reduktions-Oxidations-Gleichung
L> chemische Reaktion, bei der Elektronen von einem auf den anderen
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Konzentrationselemente und Nernst-Gleichung

In diesem Abschnitt werden Konzentrationselemente und die Nernst-Gleichung behandelt.

Konzentrationselemente, auch als Konzentrationszellen bekannt, sind galvanische Zellen, bei denen sich die zwei Halbzellen nur in der Konzentration der Elektrolytlösung unterscheiden. Sie erzeugen eine nutzbare elektrische Spannung durch eine chemische Reaktion, ähnlich einer Batterie.

Definition: Ein Konzentrationselement ist eine galvanische Zelle, deren Halbzellen sich nur in der Konzentration der Elektrolytlösung unterscheiden.

Die Nernst-Gleichung wird verwendet, um die Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotentials eines Redoxpaares zu beschreiben. Sie ist besonders wichtig für Konzentrationselemente.

Formel: Für die Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotentials eines Redoxpaares Ox + ze⁻ ⇌ Red gilt bei 25°C: E = E° + 0,059V/z0,059V / z * log[Ox]/[Red][Ox] / [Red]

Dabei ist:

  • E: Elektrodenpotential
  • E°: Standardelektrodenpotential
  • z: Anzahl der übertragenen Elektronen
  • OxOx: Konzentration der oxidierten Form
  • RedRed: Konzentration der reduzierten Form

Highlight: Die Nernst-Gleichung ermöglicht es, das Elektrodenpotential für nicht-standardmäßige Bedingungen zu berechnen.

Vergleich von Batterien und Brennstoffzellen:

  • Batterien sind gut für geringe Energiemengen
  • Brennstoffzellen haben einen höheren Wirkungsgrad

Vokabular:

  • Faraday Gesetz: Beschreibt den Zusammenhang zwischen der Stoffmenge und der elektrischen Ladung bei elektrochemischen Reaktionen.
  • Faraday-Konstante: Eine fundamentale Naturkonstante, die die Ladung eines Mols Elektronen angibt.
Elektrochemie
1. Redox - Reaktionen
► Reduktions-Oxidations-Gleichung
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Zusammenfassung und Anwendungen

In diesem abschließenden Abschnitt werden die wichtigsten Konzepte der Elektrochemie zusammengefasst und ihre praktischen Anwendungen diskutiert.

Die Elektrochemie umfasst verschiedene Schlüsselkonzepte:

  1. Redox-Reaktionen
  2. Galvanische Zellen
  3. Elektrochemische Spannungsreihe
  4. Konzentrationselemente
  5. Nernst-Gleichung

Highlight: Das Verständnis dieser Konzepte ist entscheidend für die Entwicklung und Optimierung von Batterien, Brennstoffzellen und anderen elektrochemischen Systemen.

Praktische Anwendungen der Elektrochemie:

  • Entwicklung von Batterien und Akkumulatoren
  • Brennstoffzellentechnologie
  • Korrosionsschutz
  • Elektrolyse in der industriellen Produktion
  • Sensoren und analytische Instrumente

Beispiel: Die Galvanische Zelle Daniell-Element findet Anwendung in der Lehre, um grundlegende elektrochemische Prinzipien zu demonstrieren.

Vokabular:

  • Faradaysche Gesetze: Beschreiben quantitative Beziehungen zwischen der Menge der umgesetzten Stoffe und der elektrischen Ladung in elektrochemischen Prozessen.
  • Elektrochemische Spannungsreihe Korrosion: Hilft bei der Vorhersage und Erklärung von Korrosionsprozessen in verschiedenen Materialien.

Zukünftige Herausforderungen in der Elektrochemie:

  1. Entwicklung effizienterer und umweltfreundlicherer Batterien
  2. Verbesserung der Leistung und Langlebigkeit von Brennstoffzellen
  3. Erforschung neuer Materialien für elektrochemische Anwendungen
  4. Optimierung von Elektrolyseprozessen für die grüne Wasserstoffproduktion

Quote: "Die Elektrochemie spielt eine Schlüsselrolle in der Entwicklung nachhaltiger Energietechnologien und wird auch in Zukunft von großer Bedeutung für technologische Innovationen sein."

Elektrochemie
1. Redox - Reaktionen
► Reduktions-Oxidations-Gleichung
L> chemische Reaktion, bei der Elektronen von einem auf den anderen
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Elektrolyse und Vergleich mit galvanischen Elementen

Die Elektrolyse ist ein erzwungener elektrochemischer Prozess.

Highlight: Unterschiede zwischen galvanischem Element und Elektrolyse:

  • Galvanisches Element: spontaner Prozess, exotherm
  • Elektrolyse: erzwungener Prozess, endotherm

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Lena, iOS Userin

Ich liebe diese App ❤️, ich benutze sie eigentlich immer, wenn ich lerne.

 

Chemie

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12. Apr. 2021

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Alles über galvanische Zellen: Aufbau, Beispiele und Reaktionsgleichungen

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Marlene

@marlenef_hnny

Die elektrochemische Grundlagen und Anwendungen in der Praxis. Die Galvanische Zelle und Elektrolyse bilden die Kernkonzepte der Elektrochemie, wobei Redox-Reaktionen die fundamentalen Prozesse darstellen.

• Redox-Reaktionen beinhalten den Elektronentransfer zwischen Reaktionspartnern
• Das Daniell-Element demonstriert die praktische Anwendung galvanischer Zellen... Mehr anzeigen

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Galvanisches Element und Daniell-Element

In diesem Abschnitt wird der Aufbau und die Funktionsweise eines galvanischen Elements, insbesondere des Daniell-Elements, erklärt.

Ein galvanisches Element ist eine Vorrichtung zur spontanen Umwandlung chemischer in elektrische Energie. Es basiert auf einer Redox-Reaktion, bei der Oxidation und Reduktion räumlich getrennt in zwei Halbzellen ablaufen.

Definition: Ein galvanisches Element macht eine Redoxreaktion als Spannungsquelle nutzbar.

Der Aufbau eines galvanischen Elements besteht aus:

  • Zwei Halbzellen, jeweils mit einer Elektrolytlösung und einer Elektrode
  • Einem Diaphragma poro¨seTrennwandporöse Trennwand zwischen den Halbzellen
  • Einem Leitungsdraht zur Verbindung der Elektroden

Beispiel: Das Daniell-Element ist ein klassisches Beispiel für ein galvanisches Element. Es besteht aus:

  • Einer Kupferelektrode in KupferIIII-sulfat-Lösung
  • Einer Zinkelektrode in Zinksulfat-Lösung
  • Einem Diaphragma zur Trennung der Lösungen

Highlight: Die Funktion des Diaphragmas ist es, die Ionenwanderung zwischen den Lösungen zu ermöglichen, ohne dass eine schnelle Vermischung stattfindet.

Der Stromkreis in einem galvanischen Element wird durch zwei Komponenten geschlossen:

  1. Elektronenfluss über den Leitungsdraht von einer Elektrode zur anderen
  2. Ionenwanderung durch das Diaphragma

Vokabular:

  • Galvanische Zelle Aufbau: Besteht aus zwei Halbzellen, einem Diaphragma und einem Leitungsdraht.
  • Zelldiagramm galvanische Zelle: Die Schreibweise für ein Daniell-Element lautet: Zn|ZnSO₄ c=1c=1 || CuSO₄ c=1c=1|Cu

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Standard-Wasserstoff-Halbzelle und elektrochemische Spannungsreihe

Dieser Abschnitt behandelt die Standard-Wasserstoff-Halbzelle und ihre Bedeutung für die elektrochemische Spannungsreihe.

Die Standard-Wasserstoff-Halbzelle dient als Referenz zur Ermittlung von Potentialen anderer Halbzellen. Sie besteht aus:

  • Einer Platinelektrode
  • Einer sauren Lösung H3O+H₃O⁺
  • Wasserstoffgas

Reaktionsgleichung: H₂ + 2H₂O → 2H₃O⁺ + 2e⁻

Highlight: Die Platinelektrode ist für die Reaktion irrelevant und wird bei Berechnungen nicht berücksichtigt.

Die elektrochemische Spannungsreihe ordnet Metalle und andere Redoxpaare nach ihrem Standardpotential. Sie gibt Auskunft über:

  1. Die Stärke des Oxidations- oder Reduktionsvermögens
  2. Die Edelkeit von Metallen

Vokabular:

  • Elektrochemische Spannungsreihe Tabelle: Zeigt Metalle und Redoxpaare geordnet nach ihrem Standardpotential.
  • Elektrochemische Spannungsreihe edel unedel: Unedle Metalle obenoben sind starke Reduktionsmittel, edle Metalle untenunten sind starke Oxidationsmittel.

Wichtige Aussagen zur Spannungsreihe:

  1. Je negativer das Standardpotential, desto stärker ist das Reduktionsmittel.
  2. Ein starkes Reduktionsmittel hat ein schwaches korrespondierendes Oxidationsmittel und umgekehrt.

Die Berechnung der Spannung einer galvanischen Zelle erfolgt nach der Formel: ΔE° = E°PluspolPluspol - E°MinuspolMinuspol

Beispiel: Für ein Daniell-Element: ΔE = E°Cu/Cu2+Cu/Cu²⁺ - E°Zn/Zn2+Zn/Zn²⁺ = +0,34V - 0,76V-0,76V = 1,1V

Highlight: Die "Bergab-Regel" dient als Merkhilfe zur Vorhersage von Redoxreaktionen. Elektronen werden nur "bergab" von dem höher stehenden Redoxpaar übertragen.

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Konzentrationselemente und Nernst-Gleichung

In diesem Abschnitt werden Konzentrationselemente und die Nernst-Gleichung behandelt.

Konzentrationselemente, auch als Konzentrationszellen bekannt, sind galvanische Zellen, bei denen sich die zwei Halbzellen nur in der Konzentration der Elektrolytlösung unterscheiden. Sie erzeugen eine nutzbare elektrische Spannung durch eine chemische Reaktion, ähnlich einer Batterie.

Definition: Ein Konzentrationselement ist eine galvanische Zelle, deren Halbzellen sich nur in der Konzentration der Elektrolytlösung unterscheiden.

Die Nernst-Gleichung wird verwendet, um die Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotentials eines Redoxpaares zu beschreiben. Sie ist besonders wichtig für Konzentrationselemente.

Formel: Für die Konzentrationsabhängigkeit des Elektrodenpotentials eines Redoxpaares Ox + ze⁻ ⇌ Red gilt bei 25°C: E = E° + 0,059V/z0,059V / z * log[Ox]/[Red][Ox] / [Red]

Dabei ist:

  • E: Elektrodenpotential
  • E°: Standardelektrodenpotential
  • z: Anzahl der übertragenen Elektronen
  • OxOx: Konzentration der oxidierten Form
  • RedRed: Konzentration der reduzierten Form

Highlight: Die Nernst-Gleichung ermöglicht es, das Elektrodenpotential für nicht-standardmäßige Bedingungen zu berechnen.

Vergleich von Batterien und Brennstoffzellen:

  • Batterien sind gut für geringe Energiemengen
  • Brennstoffzellen haben einen höheren Wirkungsgrad

Vokabular:

  • Faraday Gesetz: Beschreibt den Zusammenhang zwischen der Stoffmenge und der elektrischen Ladung bei elektrochemischen Reaktionen.
  • Faraday-Konstante: Eine fundamentale Naturkonstante, die die Ladung eines Mols Elektronen angibt.

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Zusammenfassung und Anwendungen

In diesem abschließenden Abschnitt werden die wichtigsten Konzepte der Elektrochemie zusammengefasst und ihre praktischen Anwendungen diskutiert.

Die Elektrochemie umfasst verschiedene Schlüsselkonzepte:

  1. Redox-Reaktionen
  2. Galvanische Zellen
  3. Elektrochemische Spannungsreihe
  4. Konzentrationselemente
  5. Nernst-Gleichung

Highlight: Das Verständnis dieser Konzepte ist entscheidend für die Entwicklung und Optimierung von Batterien, Brennstoffzellen und anderen elektrochemischen Systemen.

Praktische Anwendungen der Elektrochemie:

  • Entwicklung von Batterien und Akkumulatoren
  • Brennstoffzellentechnologie
  • Korrosionsschutz
  • Elektrolyse in der industriellen Produktion
  • Sensoren und analytische Instrumente

Beispiel: Die Galvanische Zelle Daniell-Element findet Anwendung in der Lehre, um grundlegende elektrochemische Prinzipien zu demonstrieren.

Vokabular:

  • Faradaysche Gesetze: Beschreiben quantitative Beziehungen zwischen der Menge der umgesetzten Stoffe und der elektrischen Ladung in elektrochemischen Prozessen.
  • Elektrochemische Spannungsreihe Korrosion: Hilft bei der Vorhersage und Erklärung von Korrosionsprozessen in verschiedenen Materialien.

Zukünftige Herausforderungen in der Elektrochemie:

  1. Entwicklung effizienterer und umweltfreundlicherer Batterien
  2. Verbesserung der Leistung und Langlebigkeit von Brennstoffzellen
  3. Erforschung neuer Materialien für elektrochemische Anwendungen
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Elektrolyse und Vergleich mit galvanischen Elementen

Die Elektrolyse ist ein erzwungener elektrochemischer Prozess.

Highlight: Unterschiede zwischen galvanischem Element und Elektrolyse:

  • Galvanisches Element: spontaner Prozess, exotherm
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Redox-Reaktionen und Grundlagen der Elektrochemie

In diesem Abschnitt werden die Grundlagen der Redox-Reaktionen und ihre Bedeutung in der Elektrochemie erläutert.

Redox-Reaktionen sind chemische Prozesse, bei denen Elektronen zwischen Reaktionspartnern übertragen werden. Dabei findet eine Reduktion ElektronenaufnahmeElektronenaufnahme und eine Oxidation ElektronenabgabeElektronenabgabe statt.

Definition: Eine Redox-Reaktion ist eine chemische Reaktion, bei der Elektronen von einem Reaktionspartner auf den anderen übertragen werden.

Die Reaktionspartner werden wie folgt bezeichnet:

  • Oxidationsmittel: nimmt Elektronen auf
  • Reduktionsmittel: gibt Elektronen ab

Highlight: Das Donator-Akzeptor-Prinzip spielt auch bei Redox-Reaktionen eine wichtige Rolle.

Beispiele für Redox-Reaktionen:

  1. Verbrennung von Schwefel zu Schwefeldioxid: S + O₂ → SO₂
  2. Reaktion von Magnesium mit Chlor: Mg + Cl₂ → MgCl₂

Beispiel: Bei der Reaktion von Magnesium mit Chlor findet folgende Redox-Reaktion statt: Oxidation: Mg → Mg²⁺ + 2e⁻ Reduktion: Cl₂ + 2e⁻ → 2Cl⁻

Um eine Redox-Reaktion aufzustellen, sollten folgende Schritte beachtet werden:

  1. Identifizieren der beteiligten Stoffe
  2. Aufstellen der Halbgleichungen für Oxidation und Reduktion
  3. Zusammenfügen der Halbgleichungen
  4. Ausgleichen der Gleichung fallsno¨tigfalls nötig
  5. Kürzen der Gleichung

Vokabular:

  • Galvanische Zelle Anode Kathode: Die Anode ist der Ort der Oxidation und der Minuspol, während die Kathode der Ort der Reduktion und der Pluspol ist.

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Die App ist sehr leicht und gut gestaltet. Habe bis jetzt alles gefunden, nachdem ich gesucht habe und aus den Präsentationen echt viel lernen können! Die App werde ich auf jeden Fall für eine Klassenarbeit verwenden! Und als eigene Inspiration hilft sie natürlich auch sehr.

Stefan S

iOS user

Diese App ist wirklich echt super. Es gibt so viele Lernzettel und Hilfen, […]. Mein Problemfach ist zum Beispiel Französisch und die App hat mega viel Auswahl für Hilfe. Dank dieser App habe ich mich in Französisch verbessert. Ich würde diese jedem weiterempfehlen.

Samantha Klich

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Wow ich bin wirklich komplett baff. Habe die App nur mal so ausprobiert, weil ich es schon oft in der Werbung gesehen habe und war absolut geschockt. Diese App ist DIE HILFE, die man sich für die Schule wünscht und vor allem werden so viele Sachen angeboten, wie z.B. Ausarbeitungen und Merkblätter, welche mir persönlich SEHR weitergeholfen haben.

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Ich finde Knowunity so grandios. Ich lerne wirklich für alles damit. Es gibt so viele verschiedene Lernzettel, die sehr gut erklärt sind!

Jana V

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Ich liebe diese App sie hilft mir vor jeder Arbeit kann Aufgaben kontrollieren sowie lösen und ist wirklich vielfältig verwendbar. Man kann mit diesem Fuchs auch normal reden so wie Probleme im echten Leben besprechen und er hilft einem. Wirklich sehr gut diese App kann ich nur weiter empfehlen, gerade für Menschen die etwas länger brauchen etwas zu verstehen!

Lena M

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Timo S

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Sudenaz Ocak

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Marcus B

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Mit dieser App hab ich bessere Noten bekommen. Bessere Lernzettel gekriegt. Ich habe die App benutzt, als ich die Fächer nicht ganz verstanden habe,diese App ist ein würcklich GameChanger für die Schule, Hausaufgaben

Sarah L

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Hatte noch nie so viel Spaß beim Lernen und der School Bot macht super Aufschriebe die man Herunterladen kann total Übersichtlich und Lehreich. Bin begeistert.

Hans T

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