RELATÓRIO INORGEXP - SÍNTESE CoFe2O4

Prévia do material em texto

SÍNTESE DE MATERIAIS 2 
CoFe2O4 
 
 
 
 
 
 
 
Aluno: Gabriel Delier Santos da Silva 
DRE: 118050890 
Aluna: Larissa de Oliveira Augusto 
DRE: 118032923 
Disciplina: Química inorgânica Experimental 1 
Professores: Marta Eloisa Medeiros 
Thiago Custodio dos Santos 
 
 
 
Rio de Janeiro, Janeiro, 2023 
1. OBJETIVO, 
Sintetizar óxido misto de cobalto (II) e ferro (III), CoFe2O4, ferrite de cobalto, e avaliar sua 
aplicação para adsorção de uma solução sintética de cobre (II). 
 
2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 
 
1. Síntese do material CoFe-2O4 
A metodologia de síntese adotada foi baseada na utilizada por Houshiar et al (2014) [1]. Em um 
béquer foi pesado 1,42 g de FeCl3, adicionando-se água suficiente para solubilização completa. 
Paralelamente, em outro béquer, foram pesados 2,05 g de CoCl2 • 6H2O, adicionando-se água 
destilada e HCl, gota a gota, até complete dissolução. Ambas as soluções foram aquecidas até a 
temperatura de 50°C em placa de aquecimento. Ao atingir tal temperatura, as soluções foram 
misturadas e a temperatura foi elevada para 100°C. Após atingir a temperatura, uma solução 
saturada de NaOH foi adicionada, até precipitação completa. 
Posteriormente, a mistura foi filtrada e o sólido lavado com água destilada. O sólido foi 
homogeneizado e pulverizado em grau e pistilo de ágata, tendo sido realizado análise por difração 
de raios-X (DRX), utilizando o software da Bruker-AXS’s Diffracplus EVA com o banco de dados 
PDF4 + 2021 para identificação e espectroscopia de infravermelho. 
2. Aplicação de CoFe2O4 para adsorção de cobre (II) 
A metodologia para avaliar a aplicação de CoFe2O4 como adsorvente foi baseada no trabalho de 
Ramadan (2019). 100,00 mL de uma solução de CuSO4 • 5H2O 100 mg/L foi preparada. Em 20,0 
mL desta solução foi adicionado 0,1017 g da ferrita de cobalto sintetizada, mantendo a mistura sob 
agitação por 3 horas. Passado este tempo, a mistura foi filtrada, e a solução filtrada foi submetida 
a análise por espectroscopia UV-VIS em conjunto com a solução de sulfato de cobre (II) antes do 
tratamento. 
 
3. ANÁLISE E DISCUSSÃO DE RESULTADOS 
3.1 Síntese e caracterização de CoFe2O4 
As Equações 1 e 2 mostram as etapas propostas de formação da ferrita de cobalto de acordo com 
a metodologia de síntese adotada. A Equação 3 apresenta a reação global para o processo. 
Co2+(aq) + 2 Fe
3+
(aq) + 8 OH
-
(aq) → CoFe2(OH)8(s) (1) 
CoFe2(OH)8(s) → CoFe2O4(s) + 4 H2O(l) (2) 
Co2+(aq) + 2 Fe
3+
(aq) + 8 OH
-
(aq) → CoFe2O4(s) + 4 H2O(l) (3) 
As massas dos reagentes iniciais foram pesadas para obter de 2,0 g de produto final, 
estequiometricamente, de acordo com a Equação 3. A massa de produto obtida foi de 1,3241g, o 
que forneceria um rendimento de 66,2 %. Entretanto, após a secagem do sólido, durante a 
raspagem do material do papel de filtro, foi verificado que uma camada do papel havia sido raspada 
juntamente com o sólido. Essa camada encontrava-se impregnada com a ferrita, possuindo também 
propriedade magnética quando em contato com ímã de neodímio. O máximo de sólido foi 
separado, visual e mecanicamente, do papel de filtro impregnado, e a massa obtida de sólido foi 
de 1,2133 g, fornecendo um rendimento de 60,6 %. Esse comportamento é possivelmente causado 
pela formação de nanopartículas de ferrita de cobalto, de acordo com o trabalho de Houshiar et al 
(2014) [1]. 
A Figura 1 apresenta o difratograma obtido. Por meio da comparação deste difratograma com a 
base de dados utilizada, o sólido sintetizado corresponde ao desejado. As linhas em vermelho 
marcam os picos de referência utilizados pelo equipamento (ICDD – PDF no 00-066-0244). 
 
Figura 1: Difratograma do produto final 
 Além da caracterização por difração de raios-X, foi importante realizar uma análise por 
espectroscopia de infravermelho tanto dos reagentes quanto do produto formado com o objetivo 
de identificar a presença de bandas que indiquem a formação da ligação química de interesse ou, 
ainda, a ausência de picos mais intensos no intervalo 4000 a 400 cm-1, faixa em que a 
espectroscopia foi realizada. 
Dito isso, as espectroscopias apresentadas pelas Figuras 2, 3 e 4 são referentes aos reagentes 
utilizados para a síntese e a apresentada pela Figura 5 é referente ao produto obtido. 
 
 
Figura 2. Espectroscopia de infravermelho do cloreto de ferro III, FeCl3 
Os estiramentos de metais ligados a halogênios frequentemente apresentam valores baixos sendo 
que, para metais ligados a cloro, M-Cl, esses valores geralmente aparecem na faixa de 300 a 200 
cm-1 [3]. No caso do FeCl3, isso também é observado pois, de acordo com o tabelado em Nakamoto 
(2009), as frequências vibracionais para o FeCl3 são: 
ν1 = 363.0 cm
-1
 
ν2 = 68.7 cm
-1 
ν3 = 460.2 cm
-1 
ν4 = 113.8 cm
-1 
Portanto, as frequências vibracionais de estiramento da ligação Fe-Cl não devem estar visíveis na 
faixa de 4000 a 400 cm-1. É possível observer, na Figura 3, uma banda com aspecto arredondado 
na faixa de 3500 a 3000 cm-1, uma banda bem definida na região de 1620 cm-1 e uma banda de 
media intensidade na região de 600 a 500 cm-1. 
A banda na faixa de 3500 a 3000 cm-1, em razão de seu arredondamento proeminente, é 
característica de ligações de hidrogênio O-H devido à presença de água. Isso é coerente devido à 
higroscopicidade acentuada do cloreto de ferro III que, além de ser relatada em handbooks, foi 
visualmente observada uma vez que, apesar de o reagente utilizado para a síntese ser anidro, ainda 
foi possível verificar umidade dentro do frasco. 
Além disso, a banda de 1620 cm-1, também intensa, corrobora a higroscopicidade do reagente 
utilizado, pois é uma banda característica do estiramento angular da molécula de água, geralmente 
a presença desse pico acompanha o pico arredondado na faixa de 3500 a 3000 cm-1. É algo que 
também é comumente observado em compostos hidratados [3]. 
 
Figura 3. Espectroscopia de infravermelho do hidróxido de sódio, NaOH 
A espectroscopia do hidróxido de sódio é referente a um frasco recém-aberto, apresentando 
pouca água (banda pouco intensa em 1629) mas apresentando características de ligação OH pelo 
arredondamento da banda em 3431 cm-1. 
 
Figura 4. Espectroscopia de infravermelho do cloreto de cobalto (II), CoCl2 
O perfil espectroscópico do cloreto de cobalto II apresenta um perfil parecido ao do cloreto de 
ferro III, ambos apresentando bandas nas faixas de 3500 e 1600 cm-1 que estão relacionados à 
presença de água na amostra. Além disso, ambos apresentam bandas de media intensidade entre 
500 e 750 cm-1 que, segundo Abdelzarek (2008), corresponde às interações próprias da molécula 
de CoCl2 sem, entretanto, especificar quais os tipos de estiramento essa molécula realiza para 
cada uma das bandas que, assim como o artigo citado, são três. No trabalho, as bandas 
correspondentes têm intensidade de 751 cm-1, 862 cm-1, 966 cm-1 [5] que se aproximam das 
bandas encontradas na espectroscopia. 
 
 
Figura 5. Espectroscopia de infravermelho do produto, CoFe2O4 
O perfil espectroscópico do produto sintetizado é similar ao perfil relatado em Malinowska (2020) e em 
Habibi (2014) sendo que a principal banda apresentada, na faixa de 542 a 550 cm-1 aproximadamente 
representa vibrações de estiramento da ligação tetraédrica dos metais Fe (III) e Co (II) ao 
oxigênio, como descrito nos artigos citados. As outras bandas, apesar de pouco intensas, 
correspondem às deformações OH e, em pouca quantidade, ao estiramento das ligações Fe-OH 
que são resquícios do intermediário CoFe2(OH)8 formado durante a síntese. 
 
3.2 Aplicação de CoFe2O4 na adsorção de cobre (II) 
Com o passar dos anos, a atividade industrial por todo o mundo vem aumentando. Em sua grande 
maioria, essas atividades utilizam água em seus processos produtivos, e como consequência, geram 
efluentes carregados dos mais variados componentes químicos. Com relação ao descartede metais 
em água, oriundos de qualquer que seja a fonte, sua presença nos efluentes torna o aumento da 
atividade industrial cada vez mais perigoso. A presença dos mais diversos metais nos efluentes 
pode ser perigosa, dependendo de sua concentração, como cromo, zinco, níquel, cádmio, 
molibdênio, cobre, e etc. O cobre é um metal de extrema importância, ocupando um grande espaço 
em aplicações em diversos setores industriais (construção, elétrica, produção de eletrônicos, etc.) 
(HAMID et al, 2022) e em concentrações altas pode causar problemas cerebrais, renais, na pele, 
hepáticos e anemia (MOHARBI et al, 2020). 
Com esses perigos em mente, o tratamento de efluentes contendo cobre é de extrema importância. 
Existem diversas técnicas que podem ser utilizadas para remoção de cobre de efluentes, sendo a 
adsorção uma das mais baratas, simples e eficientes. Materiais magnéticos que possuem uma boa 
capacidade adsorvente fornecem uma vantagem adicional frente aos outros adsorventes, já que são 
facilmente separados do efluente pela ação de um campo magnético. Deste modo, a ferrita de 
cobalto, CoFe2O4 foi utilizada como adsorvente para cobre em uma solução sintética de cobre (II). 
As condições utilizadas para o ensaio de adsorção foram definidas com base nos resultados obtidos 
por Ramadan (2019). Em seu trabalho, a eficiência de adsorção cresce dentro do período de 1 a 8 
horas, e se mantém constante após esse período. Para o pH, verificou-se que o aumento do pH de 
2 até 6 aumenta a eficiência de adsorção, decrescendo em pH 7 e atingindo seu máximo em pH 8 
(cerca de 20%). Para o experimento de adsorção deste trabalho, devido a limitação de tempo para 
o experimento, foi escolhido um período de 3 horas, e um pH de 6,0 para evitar uma possível 
precipitação de Cu(OH)2 em pH 8,0 (condição de máxima eficiência de adsorção). 
A Figura X apresenta uma fotografia do ensaio de adsorção de Cu (II) antes e após o ensaio. 
 
Figura 6. Fotografia do ensaio de adsorção de Cu(II) utilizando CoFe2O4 como adsorvente. Da 
esquerda para direita: solução de sulfato de cobre (II) 100 mg/L, antes do ensaio de adsorção; 
solução de sulfato de cobre (II) após o ensaio de adsorção. 
 
A Figura Y apresenta o espectro UV-Visível para o ensaio de adsorção. Analisando o espectro, 
observa-se que existe uma diminuição da absorbância entre as soluções antes e após o ensaio de 
adsorção. Entre 720 nm e 900 nm verifica-se que há bandas de absorção que interferem entre si, 
dificultando a localização do comprimento de onda de máxima absorbância. Entretanto, entre 870 
e 880 nm verifica-se um máximo, correspondendo a 873 nm o maior valor de absorbância 
encontrado. Portanto, para fins comparativos, as absorbâncias das soluções neste comprimento de 
onda serão utilizadas para calcular a eficiência de adsorção. 
 
Figura 7. Espectro UV-Visível das soluções de sulfato de cobre (II) antes (em laranja) e após 
(em azul) o ensaio de adsorção. 
Valendo-se da lei de Lambert-Beer (5), onde “A” é a absorbância, “ɛ” é o coeficiente de 
absortividade molar, “b” é o caminho ótico e “c” a concentração, é possível estimar a concentração 
restante de alaranjado de metila, considerando que não há mudança do valor de ɛ e que as cubetas 
utilizadas na medição possuem mesmo caminho ótico. 
A = ɛ.b.c (5) 
Como para ambas soluções, antes e após adsorção, “b” e “ɛ” serão constantes, e obtendo-se a razão 
entre as absorbâncias, a Equação 5 pode ser reescrita como a Equação 6 
𝑐 = 
𝐴
ɛ.b
 (6) 
Substituindo os valores, obtém-se uma concentração de cobre (II) restante de 86,19 mg/L, ou seja, 
foi realizada a remoção de 13,81% de cobre (II) da solução. 
Em seu trabalho, Ramadan (2019) [2], obteve remoções próximas de 18%. Esta diferença pode ser 
explicada pela presença de papel de filtro no sólido sintetizado, ou seja, a massa pesada de ferrita 
de cobalto não correspondia apenas a este produto. Além disso, durante a realização do ensaio de 
adsorção, ao adicionar a massa pesada de ferrite, verificou-se que uma parcela da massa ficou 
grudada no agitador magnético, podendo também ter contribuído para este menor percentual de 
remoção. 
 
4. CONCLUSÃO 
De acordo com os resultados obtidos para caracterização, o produto desejado foi sintetizado com 
êxito, com um possível rendimento de 60,6 %, já que ao coletar o sólido para pesagem e utilização, 
uma parte do papel de filtro impregnado com o produto foi coletada juntamente, possivelmente 
por se tartar de uma nanopartícula, de acordo com o trabalho de Houshiar et al (2014) [1]. A 
utilização da ferrita de cobalto para tratamento de efluentes contendo cobre (II) não se mostrou 
eficiente, tendo sido capaz de remover 13,81% da concentração inicial (100 mg/L) de uma solução 
sintética. Comparando este resultado com o trabalho de Ramadan (2019) [2], o percentual de 
remoção neste trabalho se apresentou menor, possivelmente pela presença de papel de filtro no 
produto, que levou a uma massa real de ferrita de cobalto menor que o desejado. Além disso, ao 
realizar o ensaio de adsorção, notou-se que parte da ferrita ficou grudada ao agitador magnético, 
diminuindo a eficiência do processo de adsorção. 
 
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
[1] HOUSHIAR, M., ZEBHI, F., RAZI JAFARI, Z., ALIDOUST, A., ASKARI, Z. Synthesis of 
cobal ferrite (CoFe2O4) nanoparticles using combustion, coprecipitation, and precipitation 
methods: A comparison study of size, structural and magnetic properties. Journal of 
Magnetism and Magnetic Materials 371 (2014) 43 – 48. 
[2] RAMADAN, R. Physical study of cobalt ferrite and its application in purification of water. 
Material Science & Processing, Applied Physics A (2019) 125, n 825. 
[3] NAKAMOTO, K. Infrared and Raman Spectra of Inorganic and Coordination 
Compounds. Handbook of Vibrational Spectroscopy, 2006. 
[4] NAKAMOTO, K. Infrared and Raman Spectra of Inorganic and Coordination 
Compounds, part A: Theory and applications in inorganic chemistry. John Wiley & Sons, 2009. 
[5] ABDELRAZEK, E. M., ELASHMAWI, I.S.; Characterization and Physical Properties of 
CoCl2 Filled Polyethyl-methacrylate Films. Polymer composites, 2008. 
[6] MALINOWSKA, I. et al. Synthesis of CoFe 2 O 4 Nanoparticles: The Effect of Ionic 
Strength, Concentration, and Precursor Type on Morphology and Magnetic Properties. 
Journal of Nanomaterials 2020 1 – 12. 
 
[7] HABIBI, M.H., PARHIZKAR, H.J.; FTIR and UV-vis diffuse reflectance spectroscopy 
studies of the wet Chemical (WC) route synthesized nano-structure CoFe2O4 from CoCl2 
and FeCl3. Spectrochimica Acta Part A: Molecularand Biomolecular Spectroscopy 127 (2014) 
102 – 106.