Warum ist Kupfersulfat blau?

Wie viele Übergangsmetallkomplexe ist Kupfer(II)sulfat-Pentahydrat hell gefärbt; Kristalle dieser schönen Substanz haben einen blassen Blauton. Seine Farbe ergibt sich aus der Chemie und Physik seiner Zusammensetzung – oder genauer gesagt aus der Art der Bindungen, die es mit den Sulfationen und Wassermolekülen bildet, die an das Kupfer gebunden sind.

Elektronen weisen einen Welle-Teilchen-Dualismus auf, was bedeutet, dass sie sowohl wellenartige als auch teilchenartige Eigenschaften haben. Das Verhalten eines Elektrons in einem Atom wird durch eine wellenartige Gleichung beschrieben, die als Wellenfunktion bezeichnet wird. Das Quadrat der Wellenfunktion gibt die Wahrscheinlichkeit an, dass das Elektron zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Punkt gefunden wird. Die Wellenfunktionen von Elektronen in Atomen werden auch Atomorbitale genannt. Chemiker benennen Atomorbitale, indem sie eine Zahl verwenden, um das Energieniveau des Orbitals zu bezeichnen, gefolgt von einem Buchstaben, um die Art des Orbitals zu bezeichnen. Für Elemente in der vierten Periode des Periodensystems oder darüber müssen Sie sich nur auf drei Arten von Orbitalen konzentrieren, nämlich s, p und d. Um ein Gefühl für die Form dieser Orbitale zu bekommen, lesen Sie den Link im Abschnitt Ressourcen.

Das Kupferion in Kupfer(II)sulfat hat zwei Elektronen verloren, hat also eine Ladung von +2. Es hat neun Elektronen in seinem äußersten Energieniveau oder seiner Hülle; diese sogenannten Valenzelektronen besetzen alle 3d-Orbitale. Die Wassermoleküle und Sulfationen werden von der positiven Ladung des Kupferions angezogen, nähern sich diesem und ordnen sich in einer oktaedrischen Konfiguration um es herum an. Folglich richten sich zwei der fünf 3d-Orbitale des Kupferions entlang der Achsen aus, durch die sich die Sulfationen und Wassermoleküle nähern; Da die Elektronen in diesen Orbitalen und die Elektronen in den Molekülen/Ionen beide eine negative Ladung haben, stoßen sie sich gegenseitig ab. Letztendlich haben also zwei der fünf 3D-Orbitale eine erhöhte Energie; diese werden zB Orbitale genannt. Die anderen drei haben im Gegensatz dazu eine verringerte Energie und werden als t2g-Orbitale bezeichnet.

Ein Lichtphoton wird vom Koordinationskomplex absorbiert, wenn es eine Energie hat, die der Unterschied zwischen dem Zustand, den ein Elektron jetzt einnimmt, und der Energie eines anderen verfügbaren Zustands es. Folglich kann der Kupfersulfatkomplex Lichtphotonen mit Energien absorbieren, die der Energiedifferenz zwischen t2g und zB Orbitalen entsprechen. Tatsächlich entspricht der Energieunterschied für den Kupfersulfatkomplex dem Energieunterschied für Lichtphotonen im rot-orangefarbenen Bereich des Spektrums. Da rötliches Licht absorbiert wird, während blaues Licht durchgelassen wird, erscheint das Kupfersulfat blau.

Wenn sich das Kupfersulfat in Wasser auflöst, dissoziieren die Kupfer- und Sulfationen. Jetzt bildet das Kupferion einen oktaedrischen Komplex, in dem es von sechs Wassermolekülen umgeben ist. Der Effekt ist jedoch immer noch sehr ähnlich, da die Aufspaltung zwischen t2g-Orbitalen und eg-Orbitalen in diesem neuen Komplex ist immer noch so, dass rötlich-oranges Licht absorbiert wird und man ein blau gefärbtes Lösung.