¿Por qué los átomos solo pueden ganar o perder electrones y no protones?

La energía necesaria para arrancar un electrón de un átomo se denomina energía de ionización . Las energías de ionización típicas son cinco o diez electronvoltios. Un fotón de luz visible transporta una energía en algún lugar bajo$\rm3\,eV$y no puede ionizar la mayoría de los átomos libres. Hay suficiente luz ultravioleta en la luz solar para que los átomos de la Tierra puedan ionizarse preferentemente durante el día, lo que genera mucha química interesante. Sin embargo, las temperaturas típicas en la Tierra$(T=\rm300\,K$,$k_BT = \frac{1}{40}\rm eV)$son lo suficientemente bajos como para que los átomos normalmente no se ionicen espontáneamente. La relativa estabilidad de los átomos frente a la ionización permite que existan moléculas estables.

La energía necesaria para extraer un protón de un núcleo se denomina energía de separación de protones . Las energías típicas de separación de protones son de cinco a diez millones de electronvoltios. En un entorno en el que se produjera la separación de protones, habría tanta energía dando vueltas que todos los núcleos estarían completamente ionizados, sin electrones enlazados en absoluto. Si usted, una persona biológica hecha de moléculas como el ADN y las proteínas, visitara un entorno así, ya no estaría hecho de moléculas después de su visita y, por lo tanto, habría olvidado su pregunta.

No es que los protones no se puedan transferir. Es solo que si viviéramos en un lugar donde la transferencia de protones fuera común, tendríamos una perspectiva muy diferente de la química.

En realidad, puede ser consciente de algunas consecuencias de una reacción de transferencia de nucleón. La radiación energética del espacio exterior puede causar espalación cuando interactúa con la Tierra, ya sea con la atmósfera o con los núcleos más pesados ​​debajo de la superficie de la Tierra. Algunos de los productos de espalación son neutrones libres, que se termalizan y se comportan como un componente (muy tenue) de la atmósfera terrestre. La especie más común en la atmósfera es el nitrógeno-14, que interactúa con los neutrones térmicos por

El carbono-14 se descompondrá beta de nuevo a nitrógeno, con una vida media de unos 5000 años. Entonces, si encuentra un objeto hecho de carbono, puede medir la proporción de carbono-14 versus carbono-12 y saber si ese carbono se destiló recientemente de la atmósfera. El carbono sale principalmente de la atmósfera para concentrarse en las plantas vivas (y en los comedores de plantas que han vivido recientemente), mientras que el carbono no orgánico no acumula nuevo carbono-14: un objeto carbonoso con carbono-14 probablemente estaba vivo en el medio geológico. pasado reciente, y averiguar qué tan reciente es sencillo.

Si un átomo ganara un protón, se convertiría en un átomo diferente. Por ejemplo, si un átomo de hidrógeno ganara un protón, se convertiría en un átomo de helio (por un segundo olvida que el helio que encuentras en la naturaleza también tiene 2 neutrones).

Teniendo esto en cuenta, es perfectamente posible tener un proceso que cambie el número de protones, pero como resultado obtengamos un átomo diferente (una partícula con un nombre diferente).

También es importante señalar que es mucho más fácil intercambiar electrones que protones. Esto se debe a que extraemos un electrón venciendo la fuerza de Coulomb, mientras que el protón está limitado por una fuerza nuclear (por lo tanto, los procesos en los que esto ocurre se denominan procesos nucleares).

Algunos isótopos creados artificialmente pueden emitir protones .

Sí, los átomos (y las moléculas) pueden ganar o perder protones. Se llama "Química de los ácidos".

Mezclas un ácido y agua. Se intercambia un protón y ahora tienes un ion negativo (el ácido menos un protón) y un ion positivo (una molécula de agua con un protón extra).

¿Alguna vez se preguntó por qué la fuerza fuerte se llama "fuerte"? Es mucho más fuerte que la fuerza EM (y todas las demás a esta escala), y en su ejemplo, por lo general, es mucho más fácil superar la fuerza EM que la fuerte.

De acuerdo, los quarks que constituyen los protones poseen carga EM, y el confinamiento es muy complicado y la fuerza EM contribuye al protón completo como un objeto cuántico ligado, pero lo que realmente podemos decir es que el protón (sus constituyentes) está ligado por la fuerza fuerte. Al igual que los protones y los neutrones están unidos por la fuerza (nuclear) fuerte residual. En este caso, la fuerza EM (la carga de los protones) contribuye a que el núcleo sea un objeto QM unido, pero la fuerza nuclear es la que domina abrumadoramente.

En pocas palabras, es mucho más fácil arrancar (eliminar) un electrón en su ejemplo de un átomo (y superar la fuerza EM), para eliminar un protón (y superar la fuerza fuerte).

Dicho esto, no es imposible, como puede ver en otras respuestas (por @rob y @redgiant), que le guste en su ejemplo eliminar o agregar un protón a un átomo, es solo que vivimos en un universo donde QM es la teoría subyacente y es más probable que ocurran procesos de QM energéticamente favorables.

Pueden y lo hacen todo el tiempo. La energía requerida o liberada es considerable, por lo que esto da como resultado muchos menos casos en los que se cumplen los requisitos. El sol utiliza túneles cuánticos para hacer esto, ya que la gravedad y el calor son insuficientes por sí solos.

Los electrones están ligados al núcleo por la fuerza electromagnética, mientras que un protón está ligado al núcleo por la fuerza nuclear fuerte (al menos, en un átomo multinucleon, un núcleo podría consistir en un solo protón, en el que hay no hay realmente una diferencia entre el protón que pierde el electrón y el electrón que pierde el protón). La fuerza nuclear fuerte es, como su nombre lo indica, más fuerte que la fuerza electromagnética. Además, el rango es mucho más pequeño; los protones están justo en el núcleo, mientras que los electrones están a cierta distancia. Por lo tanto, se necesita mucha más energía para eliminar un protón de un átomo. Si una molécula contiene$^1$H, entonces puede "perder un protón" al expulsar el átomo de hidrógeno pero manteniendo el electrón, lo que requiere mucha menos energía que un núcleo que pierde un protón.

Otra forma regular en la que un átomo puede "perder un protón" es cuando un electrón interno es capturado por el núcleo rico en protones de un isótopo radiactivo natural , como el potasio-40 que se convierte en argón-40.

pags + mi → norte + v

(La respuesta anterior de @akhmeteli se refería solo a isótopos artificiales).

Esto también proporciona una respuesta parcial a ¿ Por qué los electrones no chocan contra los núcleos que "orbitan"? donde también se menciona la captura de electrones.

Pueden perder y capturar protones, pero es poco probable que estas reacciones sucedan en condiciones ordinarias. Por ejemplo, la descomposición alfa (o {multi-} emisión de protones) ocurre solo en átomos radiactivos e inestables (por ejemplo, en colisiones de materia de aceleradores de partículas, también en reactores nucleares). Mientras que la captura de protones, por ejemplo, el proceso rápido de captura de protones ocurre solo en condiciones de alta presión y/o temperatura porque la inyección de protones en el núcleo necesita superar la gran barrera de Coulomb. Esta condición, como era de esperar, solo se cumple en estrellas y entornos similares.

Los electrones están en movimiento, orbitando alrededor del núcleo donde se encuentran los proutones. Por lo tanto, es comparativamente fácil agregar o quitar electrones al átomo y así ionizarlo.