Downs celle

Downs-prosessen er en elektrokjemisk metode for kommersiell fremstilling av metallisk magnesium, der smeltet MgCl₂ elektrolyseres i et spesielt apparat kalt Downs-cellen. Downs-cellen ble oppfunnet i 1922 (patentert: 1924) av den amerikanske kjemikeren James Cloyd Downs (1885–1957).

Hvordan den fungerer

Downs-cellen bruker en karbonanode og en jernkatode. Elektrolytten er magnesiumklorid som er oppvarmet til flytende tilstand. Selv om fast magnesiumklorid er en dårlig leder av elektrisitet, blir magnesium og kloridionene smeltet, som blir ladningsbærere og tillater ledning av elektrisk strøm.

Noe kalsiumklorid og/eller klorider av barium og strontium, og i noen prosesser tilsettes magnesiumfluorid til elektrolytten for å redusere temperaturen som kreves for å holde elektrolytten flytende. Natriumklorid smelter ved 801 °C (1074 Kelvin), men en saltblanding kan holdes flytende ved en temperatur så lav som 600 °C ved blandingen som inneholder, etter vekt: 33,2% MgCl₂ og 66,8% CaCl₂. Hvis det brukes rent magnesiumklorid, dannes en metallisk magnesiumemulsjon i smeltet MgCl som er umulig å skille. Derfor er ett alternativ å ha en MgCl₂ (42%) og CaCl₂ (58%) blanding.

Anodereaksjonen er:

${\ce {2Cl- ->Cl2 (g) +2e-}}$

Katodereaksjonen er:

${\ce {Mg^{2+}{+}2e- ->Mg(l)}}$

Den totale reaksjonen er:

${\ce {Mg^{2+}{+}2Cl- -> Mg(l) +2Cl2 (g)}}$

Kalsiumet kommer ikke inn i reaksjonen fordi reduksjonspotensialet på -2,87 volt er lavere enn magnesiumet, som er -2,38 volt. Derfor blir magnesiumionene redusert til metallisk form i stedet for kalsium. Hvis elektrolytten bare inneholdt kalsiumion og ikke magnesium, ville det være kalsiummetall produsert som katodeprodukt (som faktisk er hvordan metallisk kalsium produseres).

Begge produktene fra elektrolysen, magnesiummetall og klorgass, er mindre tette enn elektrolytten og flyter derfor til overflaten. Perforerte jernplater er ordnet i cellen for å lede produktene i separate kamre uten at de noen gang kommer i kontakt med hverandre.

Selv om teorien forutsier at et potensial på litt over 4 volt skal være tilstrekkelig til å få reaksjonen til å gå fremover, brukes i praksis potensialer på opptil 8 volt. Dette gjøres for å oppnå nyttige strømtettheter i elektrolytten til tross for dens iboende elektriske motstand. Overspenningen og påfølgende resistiv oppvarming bidrar til varmen som kreves for å holde elektrolytten i flytende tilstand.

Downs-prosessen produserer også klor som et biprodukt, selv om klor produsert på denne måten bare utgjør en liten brøkdel av klor produsert industrielt etter andre metoder.