¿Por qué el sulfato de cobre es azul?

Como muchos complejos de metales de transición, el sulfato de cobre (II) pentahidratado tiene colores brillantes; Los cristales de esta hermosa sustancia son de un tono azul pálido. Su color proviene de la química y la física de su composición o, más específicamente, del tipo de enlaces que forma con los iones sulfato y las moléculas de agua adheridas al cobre.

Los electrones exhiben dualidad onda-partícula, lo que significa que tienen propiedades similares a ondas y propiedades similares a partículas. El comportamiento de un electrón en un átomo se describe mediante una ecuación ondulada llamada función de onda. El cuadrado de la función de onda da la probabilidad de que el electrón se encuentre en cualquier punto en particular en un momento dado. Las funciones de onda de los electrones en los átomos también se denominan orbitales atómicos. Los químicos nombran los orbitales atómicos usando un número para designar el nivel de energía del orbital seguido de una letra para designar el tipo de orbital. Para elementos en el cuarto período de la tabla periódica o superior, solo necesita enfocarse en tres tipos de orbitales, a saber, s, py d. Para tener una idea de la forma de estos orbitales, consulte el enlace en la sección de recursos.

El ion de cobre en el sulfato de cobre (II) ha perdido dos electrones, por lo que tiene una carga de +2. Tiene nueve electrones en su capa o nivel de energía más externo; todos estos llamados electrones de valencia ocupan orbitales 3d. Las moléculas de agua y los iones de sulfato son atraídos por la carga positiva del ión de cobre, por lo que se acercan a él y se colocan a su alrededor en una configuración octaédrica. En consecuencia, dos de los cinco orbitales 3d del ion cobre se alinean a lo largo de los ejes por los que se acercan los iones sulfato y las moléculas de agua; dado que los electrones en estos orbitales y los electrones en las moléculas / iones tienen carga negativa, se repelen entre sí. En última instancia, entonces, dos de los cinco orbitales 3d tienen mayor energía; estos se denominan orbitales por ejemplo. Los otros tres, por el contrario, tienen energía disminuida y se denominan orbitales t2g.

Un fotón de luz será absorbido por el complejo de coordinación si tiene una energía equivalente a la diferencia entre el estado que ocupa ahora un electrón y la energía de otro estado disponible para eso. En consecuencia, el complejo de sulfato de cobre puede absorber fotones de luz con energías equivalentes a la diferencia de energía entre t2g y, por ejemplo, los orbitales. Da la casualidad de que la diferencia de energía para el complejo de sulfato de cobre es equivalente a la diferencia de energía para los fotones de luz en la región rojo-naranja del espectro. Dado que la luz rojiza se absorbe mientras se transmite la luz azul, el sulfato de cobre aparece azul.

Cuando el sulfato de cobre se disuelve en agua, los iones de cobre y sulfato se disocian. Ahora, el ión de cobre forma un complejo octaédrico en el que está rodeado por seis moléculas de agua. Sin embargo, el efecto sigue siendo muy similar porque la división entre los orbitales t2g y, por ejemplo, los orbitales en este nuevo complejo sigue siendo tal que se absorbe la luz naranja rojiza y se ve un color azul solución.