¿Átomos y electrones?

El sistema que tenemos aquí es inmensamente complicado: una bola de protones y neutrones rodeada por 29 electrones, cada uno interactuando entre sí y con el núcleo, según las leyes de la mecánica cuántica. Una explicación adecuada es el tipo de cosas que necesitas para tomar un título de química teórica para poder manejarlas.

Pero tal vez pueda darle algo de intuición para la situación.

Cuando acercas el electrón al cobre neutro, hay una atracción del núcleo, con su carga de +29, así como una repulsión de los 29 electrones. Resulta que en el balance, los protones 'ganan'$^1$. Es decir, si colocas un electrón junto a un átomo de cobre en el vacío, el electrón se asociaría con el átomo. Sin embargo, solo se asociaría vagamente, porque existe toda esa repulsión de los electrones . Si colocara este sistema junto a, digamos, un Na$^+$ion, el electrón saltaría inmediatamente al sodio donde hay un exceso de protones y, por lo tanto, una atracción general mucho más fuerte. El sistema es inestable, como dices, y la razón es que hay mucha repulsión de los 29 electrones.

Ahora supongamos que tenemos un ion de cobre, Cu$^+$, y colocamos un electrón junto a él (en el vacío, como antes). En este caso, hay una atracción del núcleo, con su carga de +29, así como una repulsión de los 28 electrones. Ahora, el hecho de que haya un electrón menos que antes es crucial, porque significa que la atracción neta sobre el electrón suelto es mucho mayor y, como tal, estará muy feliz de asociarse con el ion de cobre para formar cobre neutro. El sistema es bastante estable, y la razón es que mientras hay una repulsión en el electrón de los otros 28 electrones, los 29 protones lo superan con seguridad.

$^1$La razón por la que las fuerzas no se cancelan exactamente es porque los electrones y los protones están en lugares diferentes. Por ejemplo, algunos de los electrones estarán del otro lado del núcleo del electrón suelto, y debido a que la fuerza eléctrica se debilita con la distancia, esto significa que ejercerán menos fuerza sobre nuestro electrón que los protones en el núcleo. No es nada trivial ver cuál será el efecto neto (después de todo, también hay algunos electrones que están más cerca de nuestro electrón suelto que el núcleo), pero si haces los cálculos, encontrarás que hay una atracción general. , como ya he dicho.

La respuesta de @ gl255 es cualitativamente correcta. Sin embargo, quiero aclarar que a nivel de átomos individuales, la abrumadora evidencia experimental es que la Mecánica Cuántica describe los datos, y no el electromagnetismo clásico, que es macroscópicamente correcto.

Lo que sucede en el problema de muchos cuerpos de 29 protones y 29 electrones es que la solución mecánica cuántica de este estado muestra niveles de energía específicos que son llenados por los 29 electrones para formar un átomo estable, donde una gran cantidad de energía (dispersión de fotones) es necesario aplicarlo para expulsar el último electrón de su orbital . Todos los niveles atómicos inferiores están llenos y no hay nivel de energía para que caiga el último electrón, más cerca del núcleo positivo.

Ahora, si uno mira las matemáticas, algunos de estos orbitales electrónicos tienen grandes distorsiones debido a la simetría esférica.

Los cinco orbitales d en forma ψ(x, y, z)2, con un diagrama combinado que muestra cómo encajan para llenar el espacio alrededor de un núcleo atómico.

Esta distorsión matemáticamente es la misma que la del dipolo, el cuadrupolo y los momentos superiores, y genera un campo de desbordamiento en una dirección de las cargas negativas que permite la atracción de las cargas positivas y la repulsión de las negativas, y viceversa en la otra dirección, es decir, la positiva. campo del núcleo se desbordará en esa dirección. Estas se denominan fuerzas de Van der Waals y son responsables de toda la química, las formas de estado sólido (como la estructura cristalina) y el comportamiento electrostático macroscópico en general. Son una configuración potencial de nivel superior, que nuevamente tiene una solución mecánica cuántica, algunas de ellas para algunos átomos extremadamente estables, estructura cristalina con su orden el más dramático.

Entonces:

a) el electrón extra siente un campo muy débil en comparación con el último electrón unido que está en un estado cuantificado.

b) el último electrón enlazado se encuentra en una órbita mecánica cuántica estable que necesita un cuanto específico de energía para salir del átomo.

c) los niveles atómicos inferiores están llenos y no hay nivel de energía para que caiga el último electrón, más cerca del núcleo positivo.

Tiene razón en que el núcleo sigue atrayendo el electrón que colocó, y que la misma fuerza que repele el electrón colocado está repeliendo los electrones de valencia. Sin embargo, no está considerando cómo cambian estas fuerzas a medida que cambia la distancia al núcleo.

A medida que uno se aleja del núcleo, la "tracción" ejercida por el núcleo sobre el electrón se hace más pequeña. Esto debería ser bastante intuitivo: por analogía, un imán no tirará hacia el refrigerador si lo mantiene a un pie de distancia. Además, los electrones ejercen una fuerza de repulsión entre sí, la misma fuerza que sientes si tratas de unir dos imanes con las mismas cargas.

El electrón colocado no se uniría al átomo debido a su distancia del núcleo y la cantidad de electrones entre él y el núcleo. Debido a que está relativamente lejos del núcleo, no hay mucha fuerza atrayéndolo. También hay bastantes electrones en el átomo, por lo que la fuerza que lo repele supera a la fuerza que lo atrae.