Dlaczego siarczan miedzi jest niebieski?

Podobnie jak wiele kompleksów metali przejściowych, pentahydrat siarczanu miedzi (II) jest jasno zabarwiony; kryształy tej pięknej substancji mają blady odcień błękitu. Jego kolor wynika z chemii i fizyki jego składu, a dokładniej z rodzaju wiązań, jakie tworzy z jonami siarczanowymi i cząsteczkami wody przyłączonymi do miedzi.

Elektrony wykazują dualizm falowo-cząsteczkowy, co oznacza, że ​​mają zarówno właściwości falopodobne, jak i cząsteczkowe. Zachowanie elektronu w atomie opisuje równanie falowe zwane funkcją falową. Kwadrat funkcji falowej daje prawdopodobieństwo, że elektron zostanie znaleziony w dowolnym konkretnym punkcie w danym czasie. Funkcje falowe elektronów w atomach są również nazywane orbitalami atomowymi. Chemicy nazywają orbitale atomowe, używając liczby do oznaczenia poziomu energii orbitalu, a następnie litery oznaczającej typ orbitali. W przypadku pierwiastków z czwartego okresu układu okresowego lub wyższego wystarczy skupić się na trzech typach orbitali, a mianowicie s, p i d. Aby poznać kształt tych orbitali, zobacz link w sekcji zasobów.

Jon miedzi w siarczanie miedzi (II) stracił dwa elektrony, więc ma ładunek +2. Ma dziewięć elektronów na swoim zewnętrznym poziomie energetycznym lub powłoce; wszystkie te tak zwane elektrony walencyjne zajmują orbitale 3D. Cząsteczki wody i jony siarczanowe są przyciągane przez dodatni ładunek jonu miedzi, więc zbliżają się do niego i układają wokół niego w konfiguracji oktaedrycznej. W konsekwencji dwa z pięciu trójwymiarowych orbitali jonów miedzi ustawiają się wzdłuż osi, do których zbliżają się jony siarczanowe i cząsteczki wody; ponieważ elektrony w tych orbitalach i elektrony w cząsteczkach/jonach mają ładunek ujemny, odpychają się one nawzajem. Ostatecznie więc dwa z pięciu orbitali 3D mają zwiększoną energię; nazywa się je np. orbitalami. Natomiast pozostałe trzy mają zmniejszoną energię i nazywane są orbitalami t2g.

Foton światła zostanie pochłonięty przez kompleks koordynacyjny, jeśli ma energię równoważną różnica między stanem, który elektron obecnie zajmuje, a energią innego stanu dostępną dla to. W konsekwencji kompleks siarczanu miedzi może absorbować fotony światła o energiach równoważnych różnicy energii między t2g a np. orbitalami. Tak się składa, że ​​różnica energii dla kompleksu siarczanu miedzi jest równoważna różnicy energii fotonów światła w czerwono-pomarańczowym obszarze widma. Ponieważ czerwonawe światło jest pochłaniane, podczas gdy przepuszczane jest światło niebieskie, siarczan miedzi wydaje się niebieski.

Kiedy siarczan miedzi rozpuszcza się w wodzie, jony miedzi i siarczanu dysocjują. Teraz jon miedzi tworzy kompleks oktaedryczny otoczony sześcioma cząsteczkami wody. Efekt jest jednak nadal bardzo ten sam, ponieważ podział między orbitalami t2g i np. orbitalami w tym nowym kompleksie nadal jest tak, że czerwonawo-pomarańczowe światło jest pochłaniane i widać niebieski kolor rozwiązanie.