Waarom is kopersulfaat blauw?

Zoals veel overgangsmetaalcomplexen is koper (II) sulfaatpentahydraat fel gekleurd; kristallen van deze mooie stof zijn een bleke tint blauw. De kleur komt voort uit de chemie en fysica van de samenstelling - of, meer specifiek, het soort bindingen dat het vormt met de sulfaationen en watermoleculen die aan het koper zijn bevestigd.

Elektronen vertonen dualiteit van golven en deeltjes, wat betekent dat ze zowel golfachtige eigenschappen als deeltjesachtige eigenschappen hebben. Het gedrag van een elektron in een atoom wordt beschreven door een golfachtige vergelijking die een golffunctie wordt genoemd. Het kwadraat van de golffunctie geeft de kans dat het elektron op een bepaald moment op een bepaald punt wordt gevonden. De golffuncties van elektronen in atomen worden ook wel atomaire orbitalen genoemd. Chemici noemen atomaire orbitalen door een getal te gebruiken om het energieniveau van de orbitaal aan te duiden, gevolgd door een letter om het type orbitaal aan te duiden. Voor elementen in de vierde periode van het periodiek systeem of hoger, hoeft u zich alleen op drie soorten orbitalen te concentreren, namelijk s, p en d. Zie de link in de sectie bronnen om een ​​idee te krijgen van de vorm van deze orbitalen.

Het koperion in koper (II) sulfaat heeft twee elektronen verloren, dus het heeft een lading van +2. Het heeft negen elektronen in zijn buitenste energieniveau of schil; deze zogenaamde valentie-elektronen bezetten allemaal 3D-orbitalen. De watermoleculen en sulfaationen worden aangetrokken door de positieve lading op het koperion, dus benaderen ze het en rangschikken ze eromheen in een octaëdrische configuratie. Bijgevolg zijn twee van de vijf 3D-orbitalen van het koperion uitgelijnd langs de assen waarmee de sulfaationen en watermoleculen naderen; aangezien de elektronen in deze orbitalen en de elektronen in de moleculen/ionen beide een negatieve lading hebben, stoten ze elkaar af. Uiteindelijk hebben dus twee van de vijf 3D-orbitalen meer energie; deze worden de bv orbitalen genoemd. De andere drie hebben daarentegen een verminderde energie en worden de t2g-orbitalen genoemd.

Een foton van licht wordt geabsorbeerd door het coördinatiecomplex als het een energie heeft die equivalent is aan de verschil tussen de toestand die een elektron nu inneemt en de energie van een andere toestand die beschikbaar is voor het. Bijgevolg kan het kopersulfaatcomplex fotonen van licht absorberen met energieën die gelijk zijn aan het energieverschil tussen t2g en bv. orbitalen. Het verschil in energie voor het kopersulfaatcomplex is namelijk gelijk aan het verschil in energie voor fotonen van licht in het roodoranje gebied van het spectrum. Omdat roodachtig licht wordt geabsorbeerd terwijl blauw licht wordt doorgelaten, lijkt het kopersulfaat blauw.

Wanneer het kopersulfaat in water oplost, dissociëren de koper- en sulfaationen. Nu vormt het koperion een octaëdrisch complex waar het wordt omringd door zes watermoleculen. Het effect is echter nog steeds vrijwel hetzelfde, omdat de splitsing tussen t2g-orbitalen en bijv. in dit nieuwe complex is nog steeds zodanig dat rood-oranje licht wordt geabsorbeerd en je een blauwgekleurde oplossing.