डाउन्स सेल

पिघले हुए NaCl को क्लोरीन गैस और सोडियम धातु में इलेक्ट्रोलाइज़ करने वाले डाउन सेल का आरेख

डाउन्स प्रक्रिया धात्विक सोडियम की व्यावसायिक तैयारी के लिए एक विद्युत रासायनिक विधि है, जिसमें पिघले हुए NaCl को डाउन्स सेल नामक एक विशेष उपकरण में विद्युद्विश्लेषण किया जाता है। डाउन्स सेल का आविष्कार 1923 में (पेटेंट: 1924) अमेरिकी रसायनज्ञ जेम्स क्लोयड डाउन्स (1885-1957) द्वारा किया गया था।

संचालन

डाउन्स सेल एक कार्बन एनोड और एक आयरन कैथोड का उपयोग करता है। विद्युत् अपघट्य सोडियम क्लोराइड है जिसे तरल अवस्था में गर्म किया गया है। यद्यपि ठोस सोडियम क्लोराइड विद्युत का कुचालक है, पिघला हुआ होने पर सोडियम और क्लोराइड आयन एकत्रित हो जाते हैं, जो आवेश वाहक बन जाते हैं और विद्युत धारा के संचालन की अनुमति देते हैं।

विद्युत् अपघट्य तरल को बनाए रखने के लिए आवश्यक तापमान को कम करके कुछ कैल्शियम क्लोराइड या बेरियम (BaCl₂) और स्ट्रोंटियम (SrCl₂) के क्लोराइड,और,कुछ प्रक्रियाओं में, सोडियम फ्लोराइड (NaF) को विद्युत् अपघट्य में जोड़ा जाता है। सोडियम क्लोराइड (NaCl) 801 डिग्री सेल्सियस (1074 केल्विन) पर पिघलता है, लेकिन लवण के मिश्रण 33.2% NaCl और 66.8% CaCl₂ को वजन के अनुसार 600 डिग्री सेल्सियस से कम तापमान पर तरल रखा जा सकता है। यदि शुद्ध सोडियम क्लोराइड का उपयोग किया जाता है, तो पिघले हुए पदार्थ में धात्विक सोडियम इमल्शन बनता है जिसे अलग करना असंभव है। इसलिए, एक विकल्प NaCl (42%) और CaCl₂ (58%)मिश्रण है.

एनोड अभिक्रिया है:

2Cl⁻ → Cl₂ (g) + 2e⁻

कैथोड अभिक्रिया है:

2Na⁺ + 2e⁻ → 2Na (l)

की समग्र अभिक्रिया के लिए

2Na⁺ + 2Cl⁻ → 2Na (l) + Cl₂ (g)

कैल्शियम अभिक्रिया में प्रवेश नहीं करता है क्योंकि इसकी अपचयन क्षमता -2.87 वोल्ट सोडियम की तुलना में कम है, जो -2.38 वोल्ट है। इसलिए कैल्शियम की तुलना में सोडियम आयन धात्विक रूप में अपचयित हो जाते हैं। यदि विद्युत् अपघट्य में केवल कैल्शियम आयन होते हैं और कोई सोडियम नहीं होता है, तो कैल्शियम धातु को कैथोड उत्पाद के रूप में उत्पादित किया जाएगा (जो वास्तव में धातु कैल्शियम का उत्पादन होता है)।

विद्युत् अपघटन के दोनों उत्पाद, सोडियम धातु और क्लोरीन गैस, विद्युत् अपघट्य की तुलना में कम घने होते हैं और इसलिए सतह पर तैरते हैं। उत्पादों को एक-दूसरे के संपर्क में आए बिना अलग-अलग कक्षों में निर्देशित करने के लिए सेल में छिद्रित लोहे के बाफ़ल की व्यवस्था की जाती है।यद्यपि सिद्धांत भविष्यवाणी करता है कि 4.07 वोल्ट से अधिक की क्षमता अभिक्रिया को आगे बढ़ाने के लिए पर्याप्त होनी चाहिए, व्यवहार में 8 वोल्ट तक की क्षमता का उपयोग किया जाता है। यह अंतर्निहित विद्युत प्रतिरोध के बावजूद विद्युत् अपघट्य में उपयोगी वर्तमान घनत्व प्राप्त करने के लिए इसका प्रयोग किया जाता है। ओवरवॉल्टेज और परिणामी प्रतिरोधक ताप विद्युत् अपघट्य को तरल अवस्था में रखने के लिए आवश्यक ताप में योगदान देता है।

डाउंस प्रक्रिया एक उपोत्पाद के रूप में क्लोरीन का भी उत्पादन करती है, यद्यपि इस तरह से उत्पादित क्लोरीन अन्य तरीकों से औद्योगिक रूप से उत्पादित क्लोरीन का केवल एक छोटा सा अंश होता है।