Explique o funcionamento da célula de Downs utilizada para a obtenção de sódio metálico.

Passo 1

O enunciado pede para explicar o funcionamento da célula de Downs, que é usada para obter sódio metálico por eletrólise ígnea. O conteúdo envolve eletroquímica, condutividade de sais fundidos, reações nos eletrodos e separação de produtos. Para resolver, vamos revisar a composição do eletrólito, as reações de cátodo e ânodo, o arranjo da célula e a forma de coletar o sódio.

Passo 2

O eletrólito na célula de Downs é uma mistura de \text{NaCl} e \text{CaCl}_2. A adição de \text{CaCl}_2 reduz o ponto de fusão do cloreto de sódio de cerca de 801\,^\circ\text{C} para aproximadamente 600\,^\circ\text{C}, facilitando a fusão e melhorando a condutividade iônica. No estado líquido, temos íons \text{Na}^+, \text{Ca}^{2+} e \text{Cl}^- livres para migrar sob a ação de uma corrente elétrica.

Passo 3

Nos eletrodos ocorrem as seguintes semirreações:
\text{Cátodo (redução)}:\quad \text{Na}^+ + e^- \longrightarrow \text{Na (l)}áçã
\text{Ânodo (oxidação)}:\quad 2\,\text{Cl}^- \longrightarrow \text{Cl}_2(g) + 2\,e^-Âçã
Ao aplicar uma diferença de potencial, os íons \text{Na}^+ migram para o cátodo, ganham elétrons e formam sódio metálico líquido; os íons \text{Cl}^- migram para o ânodo, perdem elétrons e liberam cloro gasoso.

Passo 4

O projeto da célula de Downs separa fisicamente a zona do cátodo da zona do ânodo por um diafragma metálico perfurado ou reticulado. Esse arranjo impede que o sódio metálico, menos denso (e que flutua), se misture com o cloro gasoso. O sódio líquido é então recolhido em um tubo de extração, enquanto o cloro sai pela parte superior da cuba de grafite.

Passo 5

Para operar com segurança e pureza, mantém-se temperatura controlada em torno de 600\,^\circ\text{C}, evita-se presença de umidade (que formaria óxido ou hidreto de sódio) e recolhe-se o sódio em atmosfera inerte ou sob óleo mineral para impedir oxidação. O cloro gerado pode ser capturado e utilizado em outros processos industriais.

Resposta

A célula de Downs opera por eletrólise ígnea de uma mistura fundida de \text{NaCl} e \text{CaCl}_2. No cátodo ocorre a redução de \text{Na}^+ a sódio metálico, que flutua e é coletado; no ânodo, os \text{Cl}^- são oxidados a \text{Cl}_2 gasoso, separado por um diafragma que impede a recombinação dos produtos. O uso de \text{CaCl}_2 diminui o ponto de fusão e melhora a eficiência do processo.

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