Downs Zelle - Downs cell
Das Downs-Verfahren ist ein elektrochemisches Verfahren zur kommerziellen Herstellung von metallischem Magnesium , bei dem geschmolzenes MgCl 2 in einer speziellen Vorrichtung, der Downs-Zelle, elektrolysiert wird . Die Downs-Zelle wurde 1922 vom amerikanischen Chemiker James Cloyd Downs (1885–1957) erfunden (patentiert: 1924).
Wie es funktioniert
Die Downs - Zelle verwendet einen Kohlenstoff - Anode und eine Eisenkathode . Der Elektrolyt ist Magnesiumchlorid , das in den flüssigen Zustand erhitzt wurde. Obwohl feste Magnesiumchlorid ein schlechter elektrischer Leiter ist, wenn der Magnesiumchlorid und geschmolzenes Ionen mobilisiert werden , die Ladungsträger werden und die Leitung von elektrischem Strom ermöglichen.
Dem Elektrolyten werden etwas Calciumchlorid und / oder Chloride von Barium und Strontium und bei einigen Verfahren Magnesiumfluorid zugesetzt, um die Temperatur zu verringern, die erforderlich ist, um den Elektrolyten flüssig zu halten. Natriumchlorid schmilzt bei 801 ° C (1074 Kelvin), aber eine Salzmischung kann bei einer Temperatur von nur 600 ° C flüssig gehalten werden, wobei die Mischung, bezogen auf das Gewicht: 33,2% MgCl 2 und 66,8% CaCl 2 enthält . Bei Verwendung von reinem Magnesiumchlorid entsteht im geschmolzenen MgCl eine metallische Magnesiumemulsion, die sich nicht trennen lässt. Daher besteht eine Option darin, eine Mischung aus MgCl 2 (42%) und CaCl 2 (58%) zu haben.
Die Anodenreaktion ist:
2Cl - → Cl 2 (g) + 2e -
Die Kathodenreaktion ist:
Mg 2+ + 2e - → Mg (l)
für eine Gesamtreaktion von
Mg 2+ + 2Cl - → Mg (1) + Cl 2 (g)
Das Calcium tritt nicht in die Reaktion ein, da sein Reduktionspotential von -2,87 Volt niedriger ist als das von Magnesium, das -2,38 Volt beträgt. Daher werden die Magnesiumionen gegenüber denen von Calcium bevorzugt zu metallischer Form reduziert. Wenn der Elektrolyt nur Calciumionen und kein Magnesium enthalten würde, wäre es Calciummetall, das als Kathodenprodukt erzeugt wird (wie tatsächlich metallisches Calcium erzeugt wird).
Beide Produkte der Elektrolyse, Magnesiummetall und Chlorgas , sind weniger dicht als der Elektrolyt und schwimmen daher an die Oberfläche. Perforierte Eisenleitbleche sind in der Zelle angeordnet, um die Produkte in separate Kammern zu leiten, ohne dass sie jemals miteinander in Kontakt kommen.
Obwohl die Theorie vorhersagt, dass ein Potential von etwas mehr als 4 Volt ausreichen sollte, um die Reaktion voranzutreiben, werden in der Praxis Potentiale von bis zu 8 Volt verwendet. Dies geschieht, um trotz seines inhärenten elektrischen Widerstands nützliche Stromdichten im Elektrolyten zu erreichen. Die Überspannung und die daraus resultierende Widerstandserwärmung tragen zur Wärme bei, die erforderlich ist, um den Elektrolyten in einem flüssigen Zustand zu halten.
Das Downs-Verfahren erzeugt auch Chlor als Nebenprodukt, obwohl auf diese Weise hergestelltes Chlor nur einen kleinen Teil des nach anderen Verfahren industriell hergestellten Chlors ausmacht.