Perché il solfato di rame è blu?

Come molti complessi di metalli di transizione, il solfato di rame (II) pentaidrato è di colore brillante; i cristalli di questa bella sostanza sono di una pallida sfumatura di blu. Il suo colore deriva dalla chimica e dalla fisica della sua composizione o, più specificamente, dal tipo di legami che forma con gli ioni solfato e le molecole d'acqua attaccate al rame.

Gli elettroni mostrano la dualità onda-particella, nel senso che hanno sia proprietà simili a onde che proprietà simili a particelle. Il comportamento di un elettrone in un atomo è descritto da un'equazione simile a un'onda chiamata funzione d'onda. Il quadrato della funzione d'onda fornisce la probabilità che l'elettrone venga trovato in un punto particolare in un dato momento. Le funzioni d'onda degli elettroni negli atomi sono anche chiamate orbitali atomici. I chimici nominano gli orbitali atomici usando un numero per designare il livello di energia dell'orbitale seguito da una lettera per designare il tipo di orbitale. Per gli elementi nel quarto periodo della tavola periodica o superiore, devi solo concentrarti su tre tipi di orbitali, vale a dire, s, p e d. Per avere un'idea della forma di questi orbitali, vedere il collegamento nella sezione delle risorse.

Lo ione rame nel solfato di rame (II) ha perso due elettroni, quindi ha una carica +2. Ha nove elettroni nel suo livello energetico più esterno o guscio; questi cosiddetti elettroni di valenza occupano tutti orbitali 3d. Le molecole d'acqua e gli ioni solfato sono attratti dalla carica positiva dello ione rame, quindi si avvicinano ad esso e si dispongono attorno ad esso in una configurazione ottaedrica. Di conseguenza, due dei cinque orbitali 3d dello ione rame si allineano lungo gli assi attraverso i quali si avvicinano gli ioni solfato e le molecole d'acqua; poiché gli elettroni in questi orbitali e gli elettroni nelle molecole/ioni hanno entrambi carica negativa, si respingono. Alla fine, quindi, due dei cinque orbitali 3d hanno un'energia maggiore; questi sono chiamati ad esempio orbitali. Gli altri tre, al contrario, hanno un'energia ridotta e sono chiamati orbitali t2g.

Un fotone di luce sarà assorbito dal complesso di coordinazione se ha un'energia equivalente a differenza tra lo stato che un elettrone ora occupa e l'energia di un altro stato disponibile per esso. Di conseguenza, il complesso del solfato di rame può assorbire fotoni di luce con energie equivalenti alla differenza di energia tra t2g e, ad esempio, gli orbitali. Si dà il caso che la differenza di energia per il complesso del solfato di rame sia equivalente alla differenza di energia per i fotoni di luce nella regione rosso-arancione dello spettro. Poiché la luce rossastra viene assorbita mentre viene trasmessa la luce blu, il solfato di rame appare blu.

Quando il solfato di rame si dissolve in acqua, gli ioni rame e solfato si dissociano. Ora lo ione rame forma un complesso ottaedrico in cui è circondato da sei molecole d'acqua. L'effetto è ancora molto simile, tuttavia, perché la divisione tra orbitali t2g e, ad esempio, orbitali in questo nuovo complesso è ancora tale che la luce rosso-arancio viene assorbita e si vede un colore blu soluzione.