Varför är kopparsulfatblått?

Liksom många övergångsmetallkomplex är koppar (II) sulfatpentahydrat ljust färgat; kristaller av denna vackra substans är en blek nyans av blått. Dess färg härrör från kemi och fysik i dess sammansättning - eller, mer specifikt, den typ av bindningar den bildar med sulfatjoner och vattenmolekyler fästa vid koppar.

Elektroner uppvisar vågpartikel dualitet, vilket betyder att de har både vågliknande egenskaper och partikelliknande egenskaper. Uppförandet av en elektron i en atom beskrivs av en vågliknande ekvation som kallas en vågfunktion. Kvadrat för vågfunktionen ger sannolikheten att elektronen kommer att hittas vid en viss punkt vid en given tidpunkt. Elektronernas vågfunktioner i atomer kallas också atomorbitaler. Kemister namnger atomorbitaler genom att använda ett tal för att beteckna orbitalens energinivå följt av en bokstav för att beteckna typen av orbital. För element i den fjärde perioden i det periodiska systemet eller högre behöver du bara fokusera på tre typer av orbitaler, nämligen s, p och d. För att få en känsla för formen på dessa orbitaler, se länken i resursavsnittet.

Kopparjonen i koppar (II) sulfat har tappat två elektroner, så den har en +2 laddning. Den har nio elektroner i sin yttersta energinivå eller skal; dessa så kallade valenselektroner upptar alla 3D-orbitaler. Vattenmolekylerna och sulfatjonerna lockas till den positiva laddningen på kopparjonen, så de närmar sig den och ordnar sig runt den i en oktaedrisk konfiguration. Följaktligen inriktar sig två av kopparjonens fem 3d-orbitaler längs axlarna med vilka sulfatjoner och vattenmolekyler närmar sig; eftersom elektronerna i dessa orbitaler och elektronerna i molekylerna / jonerna båda har negativ laddning, stöter de från varandra. I slutändan har två av de fem 3d-orbitalerna ökat energi; dessa kallas t.ex. orbitaler. De andra tre har däremot minskat energi och kallas t2g-orbitalerna.

En ljusfoton kommer att absorberas av koordinationskomplexet om den har en energi motsvarande skillnaden mellan det tillstånd en elektron nu upptar och energin i ett annat tillstånd som är tillgängligt för Det. Följaktligen kan kopparsulfatkomplexet absorbera ljusfotoner med energier motsvarande skillnaden i energi mellan t2g och t.ex. orbitaler. När det händer, är skillnaden i energi för kopparsulfatkomplexet ekvivalent med skillnaden i energi för ljusfotoner i spektrumets rödorange region. Eftersom rödaktigt ljus absorberas medan blått ljus överförs verkar kopparsulfatet blått.

När kopparsulfatet löser sig i vatten dissocieras koppar- och sulfatjonerna. Nu bildar kopparjonen ett oktaedrisk komplex där det omges av sex vattenmolekyler. Effekten är fortfarande väldigt densamma, eftersom splittringen mellan t2g-orbitaler och t.ex. orbitaler i detta nya komplex är fortfarande så att röd-orange ljus absorberas och du ser en blå-färgad lösning.