Pourquoi le sulfate de cuivre est-il bleu ?

Comme de nombreux complexes de métaux de transition, le sulfate de cuivre (II) pentahydraté est de couleur vive; les cristaux de cette belle substance sont d'une pâle nuance de bleu. Sa couleur provient de la chimie et de la physique de sa composition - ou, plus précisément, du type de liaisons qu'elle forme avec les ions sulfate et les molécules d'eau attachées au cuivre.

Les électrons présentent une dualité onde-particule, ce qui signifie qu'ils ont à la fois des propriétés ondulatoires et des propriétés particulaires. Le comportement d'un électron dans un atome est décrit par une équation ondulatoire appelée fonction d'onde. Le carré de la fonction d'onde donne la probabilité que l'électron soit trouvé en un point particulier à un moment donné. Les fonctions d'onde des électrons dans les atomes sont également appelées orbitales atomiques. Les chimistes nomment les orbitales atomiques en utilisant un nombre pour désigner le niveau d'énergie de l'orbitale suivi d'une lettre pour désigner le type d'orbitale. Pour les éléments de la quatrième période du tableau périodique ou au-dessus, vous n'avez besoin de vous concentrer que sur trois types d'orbitales, à savoir s, p et d. Pour avoir une idée de la forme de ces orbitales, voir le lien dans la section ressources.

L'ion cuivre dans le sulfate de cuivre (II) a perdu deux électrons, il a donc une charge +2. Il a neuf électrons dans son niveau d'énergie ou enveloppe le plus externe; ces électrons dits de valence occupent tous des orbitales 3d. Les molécules d'eau et les ions sulfate sont attirés par la charge positive de l'ion cuivre, donc ils s'en approchent et s'arrangent autour de lui dans une configuration octaédrique. Par conséquent, deux des cinq orbitales 3D de l'ion cuivre s'alignent le long des axes par lesquels les ions sulfate et les molécules d'eau se rapprochent; puisque les électrons de ces orbitales et les électrons des molécules/ions ont tous deux une charge négative, ils se repoussent. En fin de compte, donc, deux des cinq orbitales 3D ont une énergie accrue; ceux-ci sont appelés les orbitales par exemple. Les trois autres, en revanche, ont une énergie réduite et sont appelées les orbitales t2g.

Un photon de lumière sera absorbé par le complexe de coordination s'il a une énergie équivalente à la différence entre l'état qu'un électron occupe maintenant et l'énergie d'un autre état disponible pour il. Par conséquent, le complexe de sulfate de cuivre peut absorber des photons de lumière avec des énergies équivalentes à la différence d'énergie entre t2g et par exemple les orbitales. Il se trouve que la différence d'énergie pour le complexe de sulfate de cuivre est équivalente à la différence d'énergie pour les photons de lumière dans la région rouge-orange du spectre. Étant donné que la lumière rougeâtre est absorbée tandis que la lumière bleue est transmise, le sulfate de cuivre apparaît bleu.

Lorsque le sulfate de cuivre se dissout dans l'eau, les ions cuivre et sulfate se dissocient. Maintenant, l'ion cuivre forme un complexe octaédrique où il est entouré de six molécules d'eau. L'effet est toujours à peu près le même, cependant, parce que la séparation entre les orbitales t2g et par exemple les orbitales dans ce nouveau complexe est encore telle que la lumière rouge-orange est absorbée et vous voyez une couleur bleue solution.