흰색의 무수 황산구리 가루에 물을 넣으면 푸른색이 되는 이유가 무엇인가요?

Question

흰색의 무수 황산구리 가루에 물을 넣으면 푸른색이 되는 이유를, 구리 이온 주위에 6개의 물 분자가 배위 결합하여 팔면체 착이온을 형성하고 d-d 전자 전이에 의해 노란빛을 흡수하는 원리로 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

흰색의 무수 황산구리 가루가 물과 만나 푸른색으로 변하는 현상은 구리 이온의 화학적 결합 구조와 빛의 상호작용이 만들어낸 결과입니다.

​수분이 없는 상태의 황산구리는 구리 이온과 황산 이온이 단순히 결합해 있어 별다른 색을 띠지 않습니다. 하지만 여기에 물을 넣으면 구리 이온 주위로 물 분자들이 몰려들어 강력한 결합을 형성합니다. 이때 6개의 물 분자가 구리 이온을 중심에 두고 상하좌우로 자리를 잡아 입체적인 팔면체 구조의 착이온을 만듭니다. 이를 배위 결합이라고 합니다.

​이처럼 물 분자가 구리 이온에 결합하면 평소 같은 에너지 수준에 머물던 구리 이온 내의 d-오비탈 전자들의 에너지 층이 두 그룹으로 갈라지게 됩니다. 이렇게 나누어진 에너지 층 사이의 간격은 마침 가시광선 영역의 특정 에너지를 흡수할 수 있는 정도가 됩니다.

​이 상태에서 빛을 받으면 전자가 낮은 에너지 층에서 높은 에너지 층으로 이동하는 d-d 전자 전이 현상이 일어납니다. 이때 전자는 가시광선 중 노란색 계열의 빛 에너지를 집중적으로 흡수합니다. 우리가 사물을 볼 때는 물체가 흡수한 색을 제외한 나머지 보색을 보게 되는데, 노란색이 흡수되고 남은 빛들이 우리 눈에 도달하면서 아름다운 푸른색으로 보이게 되는 것입니다. 결국 무수 황산구리의 색 변화는 물 분자가 구리 이온의 전자 구조를 재배치하면서 발생하는 정교한 물리화학적 반응입니다.

Answer 2

안녕하세요.

말씀해주신 것처럼 흰색의 무수 황산구리 가루에 물을 넣으면 선명한 푸른색으로 변하는 이유는 구리 이온의 배위 환경이 바뀌며 전자 에너지 준위가 변하기 때문입니다. 원래 무수 황산구리에서는 구리 이온이 결정 격자 안에서 황산 이온과 결합한 상태로 존재하며, 물 분자가 주변에 없기 때문에 흰색에 가깝지만, 이때 물이 가해지면 구리 이온은 물 분자와 강하게 상호작용하여 새로운 수화 구조를 만들게 됩니다. 물 분자는 산소 원자에 비공유 전자쌍을 가지고 있어 전자쌍을 제공할 수 있으므로, 루이스 염기처럼 작용하여 구리 이온에 배위 결합을 형성하고, 결과적으로 Cu²⁺ 주위에 6개의 물 분자가 배열된 Hexaaquacopper(II) complex 형태의 착이온이 만들어지며, 전체적으로는 수화 황산구리 Copper(II) sulfate pentahydrate 결정으로 안정화됩니다. 이때 중심의 구리 이온 주변에 물 분자 6개가 대체로 팔면체 배치를 이루는데요, 팔면체 전기장 안에 놓인 Cu²⁺ 이온의 d 오비탈은 모두 같은 에너지가 아니라 두 그룹으로 갈라집니다.

이때 구리(II)는 d⁹ 전자배치를 가지므로, 낮은 에너지 준위와 높은 에너지 준위 사이에서 전자가 이동할 수 있는데요, 가시광선이 들어오면 특정 파장의 빛 에너지가 이 간격과 맞을 때 전자가 낮은 d 준위에서 높은 d 준위로 들뜨게 되는데, 이것이 d-d 전자 전이입니다. 이 착이온은 주로 노란빛~주황빛 영역의 파장을 상대적으로 흡수하며, 백색광에서 노란 계열 빛이 제거되면, 남은 보색 성분인 파랑~청색 계열 빛이 눈에 강하게 들어오면서 푸른색으로 보이는 것입니다. 감사합니다.