Het toestel van Hofmann is een klassiek laboratoriumapparaat waarmee de elektrolyse van water op een visueel overtuigende manier kan worden aangetoond. Het toestel laat zien dat water (H₂O) door middel van elektrische stroom wordt gesplitst in waterstofgas (H₂) en zuurstofgas (O₂), en dat er precies tweemaal zoveel waterstof als zuurstof ontstaat. Het is een vast onderdeel van het scheikundeprogramma in het voortgezet onderwijs en wordt ook gebruikt in hoger onderwijs en onderzoekslaboratoria.
Het toestel is ontworpen door de Duits-Britse scheikundige August Wilhelm von Hofmann (1818–1892), die het apparaat ontwikkelde om de samenstelling van water experimenteel aan te tonen. Hoewel de naam in het Nederlands soms als "Hoffman" wordt geschreven, is de correcte spelling "Hofmann" — naar de uitvinder.
Het klassieke toestel bestaat uit een glazen constructie met drie verticale buizen die onderaan door een dwarsbuis met elkaar zijn verbonden:
Puur gedestilleerd water geleidt elektrische stroom nauwelijks. Daarom wordt een kleine hoeveelheid elektrolyt toegevoegd — meestal verdund zwavelzuur (H₂SO₄) of kaliumhydroxide (KOH) — uitsluitend om de geleidbaarheid te verhogen. De elektrolyt neemt zelf niet deel aan de nettoreactie en is na afloop van het experiment nog in dezelfde hoeveelheid aanwezig.
Zodra een gelijkspanning wordt aangelegd tussen de elektroden vinden er twee halfreacties plaats:
De totale reactievergelijking is: 2H₂O → 2H₂ + O₂
Het waterstofgas verzamelt zich in de buis boven de kathode, het zuurstofgas in de buis boven de anode. Doordat er per molecuul water twee waterstofatomen en slechts één zuurstofatoom vrijkomen, is het volume waterstof altijd precies het dubbele van het volume zuurstof. Dit is direct af te lezen op de schaalverdeling van de buizen.
De totale reactievergelijking voor de elektrolyse van water is:
2H₂O → 2H₂ + O₂
Hieruit volgt dat 2 mol water (36 g) precies 2 mol waterstof (4 g, ofwel 2 × 22,4 liter bij kamertemperatuur en atmosferische druk) en 1 mol zuurstof (22,4 liter) oplevert. Omgerekend naar praktische hoeveelheden:
De theoretische minimale energie voor de splitsing van water is 237 kJ per mol water (gebaseerd op de Gibbs-vrije energie van de reactie). In de praktijk is meer energie nodig vanwege overspanning aan de elektroden en warmteverliezen:
Het toestel van Hofmann is een alkalische elektrolyseopstelling op kleine schaal. De efficiëntie in een schoolopstelling is relatief laag vanwege de kleine elektrodeoppervlakken en hogere overspanning, maar voor demonstratie doeleinden is dit niet relevant.
Na afloop van het experiment kunnen de gevormde gassen worden geïdentificeerd:
Knalgas is de volkskundige naam voor een mengsel van waterstof en zuurstof in de verhouding 2:1 — precies de verhouding die ontstaat bij de elektrolyse van water in het toestel van Hofmann. Wanneer dit mengsel wordt ontstoken, explodeert het met een karakteristieke harde knal, waarbij water wordt teruggevormd:
2H₂ + O₂ → 2H₂O
Knalgas is de omgekeerde reactie van de elektrolyse: waar elektrolyse water splitst met behulp van elektrische energie, combineert knalgas waterstof en zuurstof onder vrijgave van energie. Dit is precies het principe van een brandstofcel.
In het schoolexperiment wordt knalgas soms gedemonstreerd door een reageerbuisje omgekeerd boven de kathode te houden totdat het gevuld is met het gasmengsel. Bij het aansteken met een lucifer geeft het een harde knal. Veiligheidstip: gebruik kleine volumina (max. 10–20 ml) en zorg dat leerlingen op voldoende afstand staan.
De elektrolyse van water is een voorbeeld van een elektrolytische ontleding — een ontleding die door elektrische stroom wordt aangedreven. In de scheikunde worden drie soorten ontledingsreacties onderscheiden:
Door een pH-indicator zoals methylrood aan de vloeistof toe te voegen wordt de chemische verandering rondom de elektroden zichtbaar. Rond de anode ontstaat een zuur milieu (H⁺-ionen komen vrij) waardoor methylrood rood kleurt. Rond de kathode ontstaat een basisch milieu (OH⁻-ionen komen vrij) en kleurt methylrood geel. Dit maakt de elektrolyse niet alleen meetbaar maar ook visueel indrukwekkend.
Het toestel van Hofmann wordt in de scheikunde ingezet voor de demonstratie en bestudering van elektrolyse, redoxreacties, stoichiometrie en de samenstelling van water. De visuele impact — de opbouw van gaskolommen in de twee buizen in een verhouding van 2:1 — maakt abstracte concepten direct waarneembaar. Het toestel is geschikt voor demonstratieproeven door de docent en voor practicumopstellingen door leerlingen.
Het toestel van Hofmann is de eenvoudigste manier om in het laboratorium of de klas zelf waterstof te produceren en op te vangen. Het onderstaande protocol is geschikt voor schoolpractica en demonstraties.
Zie ook: Elektriciteit & voedingen | Kennisbank wetenswaardigheden
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
