Miksi kuparisulfaatti on sininen?

Kuten monet siirtymämetallikompleksit, kupari (II) sulfaattipentahydraatti on kirkkaanvärinen; tämän kauniin aineen kiteet ovat vaalean sinistä sävyä. Sen väri johtuu sen koostumuksen kemiasta ja fysiikasta - tai tarkemmin sanoen sellaisista sidoksista, jotka se muodostaa kupariin kiinnittyneiden sulfaatti-ionien ja vesimolekyylien kanssa.

Elektroneilla on aallon ja hiukkasten kaksinaisuus, mikä tarkoittaa, että niillä on sekä aaltomaisia ​​että hiukkasmaisia ​​ominaisuuksia. Elektronin käyttäytyminen atomissa kuvataan aaltomaisella yhtälöllä, jota kutsutaan aaltofunktioksi. Aaltofunktion neliö antaa todennäköisyyden, että elektroni löytyy mistä tahansa tietystä kohdasta kerrallaan. Atomeissa olevien elektronien aaltotoimintoja kutsutaan myös atomiorbitaaleiksi. Kemistit nimeävät atomi-orbitaalit käyttämällä numeroa kiertoradan energiatason määrittämiseksi, jota seuraa kirjain orbitaalin tyypin osoittamiseksi. Jaksollisen tai sitä korkeamman neljännen jakson elementtien osalta sinun on keskityttävä vain kolmen tyyppisiin kiertoradoihin, nimittäin s, p ja d. Jos haluat tuntea näiden orbitaalien muodon, katso linkki resurssit-osiosta.

Kupari (II) sulfaatissa oleva kupari-ioni on menettänyt kaksi elektronia, joten sillä on +2 varausta. Sen uloimmassa energiatasossa tai kuoressa on yhdeksän elektronia; nämä ns. valenssielektronit vievät kaikki 3D-kiertoradat. Vesimolekyylit ja sulfaatti-ionit houkuttelevat kupari-ionin positiivista varausta, joten ne lähestyvät sitä ja järjestyvät sen ympärille oktaedriseen kokoonpanoon. Tämän seurauksena kaksi kupari-ionin viidestä 3d-orbitaalista kohdistuu akseleille, joilla sulfaatti-ionit ja vesimolekyylit lähestyvät; koska näiden orbitaalien elektronilla ja molekyylien / ionien elektronilla on molemmilla negatiivinen varaus, ne hylkäävät toisiaan. Viime kädessä sitten kahdella viidestä kolmiulotteisesta kiertoradasta on lisääntynyt energiaa; näitä kutsutaan esim. kiertoradoiksi. Kolmella muulla on sitä vastoin vähentynyt energia ja niitä kutsutaan t2g-orbitaaleiksi.

Koordinaatiokompleksi absorboi valon fotonin, jos sillä on energiaa vastaava energia ero elektronin nyt käyttämän tilan ja toisen käytettävissä olevan energian välillä se. Tämän seurauksena kuparisulfaattikompleksi voi absorboida valon fotoneja energioilla, jotka vastaavat t2g: n ja esim. Orbitaalien välistä energiaeroa. Kuten tapahtuu, kuparisulfaattikompleksin energiaero on sama kuin valon fotonien energian ero spektrin puna-oranssilla alueella. Koska punertava valo absorboituu sinisen valon leviämisen aikana, kuparisulfaatti näyttää siniseltä.

Kun kuparisulfaatti liukenee veteen, kupari- ja sulfaatti-ionit dissosioituvat. Nyt kupari-ioni muodostaa oktaedrisen kompleksin, jossa sitä ympäröi kuusi vesimolekyyliä. Vaikutus on kuitenkin suurelta osin sama, koska jakautuminen t2g-orbitaalien ja esim. Orbitaalien välillä tämä uusi kompleksi on edelleen sellainen, että punertavan oranssi valo absorboituu ja näet sinisen ratkaisu.