El proceso de Downs es un método electroquímico para la preparación comercial de sodio metálico , en el que el NaCl fundido se electroliza en un aparato especial llamado celda de Downs . La célula de Downs fue inventada en 1923 (patentada: 1924) por el químico estadounidense James Cloyd Downs (1885-1957). [1] [2]
La celda de Downs utiliza un ánodo de carbono y un cátodo de hierro . El electrolito es cloruro de sodio que se ha calentado hasta alcanzar el estado líquido. Aunque el cloruro de sodio sólido es un mal conductor de la electricidad, cuando se funde los iones de sodio y cloruro se movilizan, que se convierten en portadores de carga y permiten la conducción de la corriente eléctrica.
Se añade al electrolito algo de cloruro de calcio y/o cloruros de bario (BaCl 2 ) y estroncio (SrCl 2 ) y, en algunos procesos, fluoruro de sodio (NaF) [3] para reducir la temperatura necesaria para mantener el electrolito líquido. El cloruro de sodio (NaCl) se funde a 801 °C (1074 Kelvin), pero una mezcla de sales se puede mantener líquida a una temperatura tan baja como 600 °C si la mezcla contiene, en peso: 33,2 % de NaCl y 66,8 % de CaCl 2 . Si se utiliza cloruro de sodio puro, se forma en el NaCl fundido una emulsión de sodio metálico que es imposible de separar. Por tanto, una opción es tener una mezcla de NaCl (42%) y CaCl 2 (58%).
La reacción del ánodo es:
La reacción catódica es:
para una reacción general de
El calcio no entra en la reacción porque su potencial de reducción de -2,87 voltios es menor que el del sodio, que es de -2,38 voltios. Por tanto, los iones de sodio se reducen a forma metálica con preferencia a los de calcio. [4] Si el electrolito contuviera solo iones de calcio y nada de sodio, se produciría calcio metálico como producto catódico (que de hecho es como se produce el calcio metálico).
Ambos productos de la electrólisis, el sodio metálico y el cloro gaseoso, son menos densos que el electrolito y, por tanto, flotan hacia la superficie. En la celda están dispuestos deflectores de hierro perforado para dirigir los productos a cámaras separadas sin que entren en contacto entre sí. [5]
Aunque la teoría predice que un potencial de poco más de 4,07 voltios debería ser suficiente para provocar que la reacción avance, en la práctica se utilizan potenciales de hasta 8 voltios. Esto se hace para lograr densidades de corriente útiles en el electrolito a pesar de su resistencia eléctrica inherente. La sobretensión y el consiguiente calentamiento resistivo contribuyen al calor necesario para mantener el electrolito en estado líquido.
El proceso de Downs también produce cloro como subproducto, aunque el cloro producido de esta manera representa sólo una pequeña fracción del cloro producido industrialmente por otros métodos. [5]