Hvorfor er kobbersulfatblått?

Som mange overgangsmetallkomplekser er kobber (II) sulfatpentahydrat i fargerike farger; krystaller av dette vakre stoffet er en blek nyanse av blått. Fargen stammer fra kjemien og fysikken i sammensetningen - eller, mer spesifikt, den type bindinger den dannes med sulfationene og vannmolekylene festet til kobberet.

Elektroner utviser bølgepartikkerdualitet, noe som betyr at de har både bølgelignende egenskaper og partikkellignende egenskaper. Oppførselen til et elektron i et atom er beskrevet av en bølgelignende ligning som kalles en bølgefunksjon. Kvadratet til bølgefunksjonen gir sannsynligheten for at elektronet vil bli funnet på et bestemt punkt til enhver tid. Bølgefunksjonene til elektroner i atomer kalles også atomorbitaler. Kjemikere kaller atomorbitaler ved å bruke et tall for å betegne orbitalens energinivå etterfulgt av en bokstav for å angi typen orbital. For elementer i den fjerde perioden i det periodiske systemet eller over, trenger du bare å fokusere på tre typer orbitaler, nemlig s, p og d. For å få en følelse av formen til disse orbitalene, se lenken i ressursseksjonen.

Kobberionet i kobber (II) sulfat har mistet to elektroner, så det har en +2 ladning. Den har ni elektroner i sitt ytterste energinivå eller skall; disse såkalte valenselektronene opptar alle 3d-orbitaler. Vannmolekylene og sulfationene tiltrekkes av den positive ladningen på kobberionet, så de nærmer seg den og ordner seg rundt den i en oktaedrisk konfigurasjon. Følgelig justeres to av kobberionens fem 3d-orbitaler langs aksene som sulfationene og vannmolekylene nærmer seg med; siden elektronene i disse orbitalene og elektronene i molekylene / ionene begge har negativ ladning, frastøter de hverandre. Til slutt har to av de fem 3d-orbitalene økt energi; disse kalles f.eks. orbitaler. De tre andre har derimot redusert energi og kalles t2g-orbitalene.

Et foton av lys vil bli absorbert av koordinasjonskomplekset hvis det har en energi som tilsvarer forskjellen mellom tilstanden et elektron nå opptar og energien til en annen tilstand som er tilgjengelig for den. Følgelig kan kobbersulfatkomplekset absorbere lysfotoner med energier som tilsvarer forskjellen i energi mellom t2g og f.eks. Orbitaler. Når det skjer, er forskjellen i energi for kobbersulfatkomplekset ekvivalent med energiforskjellen for lysfotoner i den rød-oransje regionen av spekteret. Siden rødt lys absorberes mens blått lys overføres, ser kobbersulfatet blått ut.

Når kobbersulfatet oppløses i vann, kobles kobber- og sulfationene fra hverandre. Nå danner kobberionen et oktaedrisk kompleks hvor det er omgitt av seks vannmolekyler. Effekten er likevel veldig mye den samme, fordi splittelsen mellom t2g-orbitaler og f.eks. Orbitaler i dette nye komplekset er fortsatt slik at rød-oransje lys absorberes og du ser en blåfarget løsning.