Камера Даунса
Процесс Даунса — это электрохимический метод промышленного получения металлического натрия , при котором расплавленный NaCl подвергается электролизу в специальном аппарате, называемом ячейкой Даунса . Ячейка Даунса была изобретена в 1923 году (запатентована в 1924 году) американским химиком Джеймсом Клойдом Даунсом (1885–1957). [1] [2]
Операция
[ редактировать ]В ячейке Даунса используется угольный анод и железный катод . Электролитом , является хлорид натрия нагретый до жидкого состояния. Хотя твердый хлорид натрия является плохим проводником электричества, при расплавлении ионы мобилизуются натрия и хлорида, которые становятся носителями заряда и обеспечивают проводимость электрического тока.
Некоторое количество хлорида кальция и/или хлоридов бария . (BaCl 2 ) и стронция (SrCl 2 ), а в некоторых процессах - фторида натрия (NaF) [3] добавляются в электролит для снижения температуры, необходимой для поддержания электролита в жидком состоянии. Хлорид натрия (NaCl) плавится при 801 °C (1074 Кельвина), но смесь солей можно сохранять жидкой при температуре до 600 °C, если смесь содержит по весу: 33,2% NaCl и 66,8% CaCl2 . При использовании чистого хлорида натрия в расплавленном NaCl образуется эмульсия металлического натрия, которую невозможно отделить. Поэтому одним из вариантов является использование смеси NaCl (42%) и CaCl 2 (58%).
Анодная реакция:
- 2Cl − → Cl 2 (г) + 2e −
Катодная реакция:
- 2На + + 2е − → 2На(л)
для общей реакции
- 2На + + 2Cl − → 2Na (л) + Cl 2 (г)
Кальций не вступает в реакцию, поскольку его восстановительный потенциал -2,87 вольт ниже, чем у натрия, который составляет -2,38 вольт. Следовательно, ионы натрия восстанавливаются до металлической формы, а не до ионов кальция. [4] Если бы электролит содержал только ионы кальция и не содержал натрия, в качестве катодного продукта образовывался бы металлический кальций (именно так и производится металлический кальций).
Оба продукта электролиза, металлический натрий и газообразный хлор , менее плотны, чем электролит, и поэтому всплывают на поверхность. В камере установлены перфорированные железные перегородки, которые направляют продукты в отдельные камеры, не допуская их контакта друг с другом. [5]
Хотя теория предсказывает, что потенциала чуть более 4,07 В должно быть достаточно, чтобы реакция пошла вперед, на практике используются потенциалы до 8 В. Это делается для достижения полезной плотности тока в электролите, несмотря на присущее ему электрическое сопротивление. Перенапряжение и последующий резистивный нагрев способствуют выделению тепла, необходимого для поддержания электролита в жидком состоянии.
Процесс Даунса также производит хлор в качестве побочного продукта, хотя хлор, полученный таким способом, составляет лишь небольшую часть хлора, производимого в промышленности другими методами. [5]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Даунс, Джеймс Хамз «Электролитический процесс и ячейка», Архивировано 25 июля 2018 г. в Wayback Machine, патент США №. 1 501 756 (подано: 18 августа 1922 г.; выдано: 15 июля 1924 г.).
- ^ Харди, DWF (1959). Электролитическое производство химикатов из соли . Оксфорд, Англия: Издательство Оксфордского университета. стр. 14, 65.
- ^ Кепплер, Стивен Джон; Мессинг, Томас А.; Пру, Кевин Бернар; Джайн, Давендра Кумар (18 мая 2001 г.). «Электролиз расплавленных солей щелочных металлов, патент США 6669836» . Проверено 17 июля 2010 г. [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ «Производство натрия электролизом» . www.corrosion-doctors.org . Проверено 20 декабря 2007 г.
- ^ Перейти обратно: а б Полинг, Лайнус, Общая химия , изд. 1970 г. Dover Publications, стр. 539–540.