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 celda de Downs fue inventada en 1923 (patentada: 1924) por el químico estadounidense James Cloyd Downs (1885–1957). [1] [2]
La celda Downs utiliza un ánodo de carbono y un cátodo de hierro . El electrolito es cloruro de sodio que se ha calentado hasta el estado líquido. Aunque el cloruro de sodio sólido es un mal conductor de electricidad, cuando se funde, los iones de sodio y cloruro se movilizan, lo que los convierte en portadores de carga y permite la conducción de la corriente eléctrica.
Se añaden al electrolito 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 en la mezcla que contiene, en peso: 33,2% de NaCl y 66,8% de CaCl 2 . Si se utiliza cloruro de sodio puro, se forma una emulsión de sodio metálico en el NaCl fundido que es imposible de separar. Por lo tanto, una opción es tener una mezcla de NaCl (42%) y CaCl 2 (58%).
La reacción del ánodo es:
La reacción del cátodo 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 lo 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 es, de hecho, cómo se produce el calcio metálico).
Los dos productos de la electrólisis, el sodio metálico y el gas cloro , son menos densos que el electrolito y, por lo tanto, flotan hacia la superficie. En la celda se han dispuesto deflectores de hierro perforados para dirigir los productos hacia cámaras separadas sin que entren en contacto entre sí. [5]
Aunque la teoría predice que un potencial de un 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]