Overgang metaalkleuren in waterige oplossing

De overgangsmetalen vormen gekleurde ionen, complexen en verbindingen in waterige oplossing. De karakteristieke kleuren zijn handig bij het uitvoeren van een kwalitatieve analyse om de samenstelling van een monster te identificeren. De kleuren weerspiegelen ook interessante chemie die voorkomt in overgangsmetalen.

Een overgangsmetaal is een metaal dat stabiele ionen vormt die onvolledig zijn gevuld d orbitalen. Volgens deze definitie zijn technisch niet alle d-blokelementen van het periodiek systeem overgangsmetalen. Zink en scandium zijn volgens deze definitie bijvoorbeeld geen overgangsmetalen omdat Zn²⁺ heeft een volledig d-niveau, terwijl Sc³⁺ heeft geen d elektronen.

Een typisch overgangsmetaal heeft meer dan één mogelijke oxidatietoestand omdat het een gedeeltelijk gevulde orbitaal heeft. Wanneer overgangsmetalen binden aan een meer neutrale of negatief geladen niet-metalen soort (liganden), vormen ze zogenaamde overgangsmetaalcomplexen. Een andere manier om naar een complex ion te kijken, is als een chemische soort met een metaalion in het midden en andere ionen of moleculen eromheen. Het ligand hecht zich door aan het centrale ion

Wanneer een complex zich vormt, verandert de vorm van de d-orbitaal omdat sommige dichter bij de ligand zijn dan andere: sommige d-orbitalen gaan naar een hogere energietoestand dan voorheen, terwijl andere naar een lagere energie gaan staat. Dit vormt een energiekloof. Elektronen kunnen een foton van licht absorberen en van een lagere energietoestand naar een hogere toestand gaan. De golflengte van het geabsorbeerde foton hangt af van de grootte van de energiekloof. (Dit is de reden waarom het splitsen van s- en p-orbitalen, hoewel het voorkomt, geen gekleurde complexen produceert. Die hiaten zouden ultraviolet licht absorberen en de kleur in het zichtbare spectrum niet beïnvloeden.)

Onabsorbeerde golflengten van licht passeren een complex. Enig licht wordt ook teruggekaatst door een molecuul. De combinatie van absorptie, reflectie en transmissie resulteert in de schijnbare kleuren van de complexen.

Verschillende elementen kunnen verschillende kleuren van elkaar produceren. Ook kunnen verschillende ladingen van één overgangsmetaal resulteren in verschillende kleuren. Een andere factor is de chemische samenstelling van het ligand. Dezelfde lading op een metaalion kan een andere kleur produceren, afhankelijk van het ligand dat het bindt.

De kleuren van een overgangsmetaalion zijn afhankelijk van de omstandigheden in een chemische oplossing, maar sommige kleuren zijn goed om te weten (vooral als je AP Chemistry gebruikt):

Een verwant fenomeen zijn de emissiespectra van overgangsmetaalzouten, die worden gebruikt om ze te identificeren in de vlam test.