¿Por qué se equilibran las cargas atómicas?

Se describe que los átomos tienen un núcleo en el centro con electrones en órbita (o tal vez el núcleo con una alta probabilidad de estar en el centro y los electrones más dispersos).

Si esto es así, pensarías que hay más carga negativa concentrada en el 'perímetro' del átomo, y la fuerza negativa dominaría al interactuar con algo fuera del átomo, debido a su proximidad.

Entonces, ¿por qué los átomos tienen carga neutra?

"o tal vez el núcleo con una alta probabilidad de estar en el centro" - ¡Me encanta esto!
Incluso ignorando todos los detalles sobre la física cuántica, hay un simple error geométrico en tu segundo párrafo. Para cualquier punto fijo lo suficientemente lejos fuera del átomo, aproximadamente la mitad del 'perímetro' está en realidad más lejos que el núcleo y, por lo tanto, tiene menos influencia. Con esto en mente, no es terriblemente sorprendente que los efectos de los electrones en el lado cercano y lejano tiendan (en su mayoría) a equilibrarse.
@mlk Ese es un gran punto. Me di cuenta de eso al pensarlo después de publicarlo. El "(principalmente)" en su comentario aún queda por cuantificar; y ¿el átomo realmente oscila entre niveles variables de desequilibrio dependiendo de la posición de todos los electrones?
@mlk, o tomemos por ejemplo un átomo de hidrógeno; ¿Alguno de sus lados oscila entre negativo/positivo cuando el electrón solitario pasa "delante" y "detrás" del neutrón?
@ReinstateMonica Ese es, de hecho, uno de los primeros enigmas que conducen a la física cuántica. Si oscila entre atrás y adelante y, por lo tanto, carga aparente positiva/negativa, el resultado sería una onda electromagnética, que se llevaría energía, por lo que el electrón tendría que caer bastante rápido hacia el núcleo. Pero eso no es lo que observamos. La forma de hacer que esto encaje es la física cuántica, que permite que el electrón esté delante y detrás al mismo tiempo.
@mlk La solución fue la cuantificación de energía. Decir "el electrón está adelante y atrás al mismo tiempo" es una cuestión de interpretación de lo que representa físicamente la superposición.

Respuestas (4)

La carga neutra solo significa que no hay carga neta cuando se considera todo el átomo/molécula. No significa que no pueda haber un campo eléctrico distinto de cero o no simétrico. Esto es especialmente cierto para las moléculas que son neutras pero aún polares, como el agua.

pensarías que hay más carga negativa concentrada en el 'perímetro' del átomo, y la fuerza negativa dominaría al interactuar con algo fuera del átomo, debido a su proximidad.

De acuerdo con la ley de Gauss, este no es el caso. Una esfera de carga negativa tiene el mismo campo exterior que una carga puntual en el centro de la esfera.

¿Quiere decir que podemos tratar un electrón en órbita como si estuviera realmente esparcido en una esfera de carga homogénea, no como una carga a veces aquí, a veces allá?
@ReinstateMonica Al no decir realmente sí o no a eso aquí. Ese modelo podría ser útil para algunas cosas pero no para otras. Lo que digo es que si asumes esto, la ley de Gauss nos dice lo que digo en la respuesta.
@ReinstateMonica En realidad, cada interacción con el sensor colapsará el electrón a un estado propio con una posición más discreta, por lo que perderemos la capacidad de aplicar directamente la ley de Guass. Sin embargo, puede ejecutar el mismo argumento a partir de una gran cantidad de interacciones con un electrón, cuyo vector propio de posición es esféricamente simétrico, que usa para pasar de una distribución esféricamente simétrica de cargas fijas a la ley de Gauss en primer lugar. [1/2]
[2/2] Sin embargo, si te acercas mucho , el principio de exclusión de Pauli, combinado con los niveles de energía cuantificados de un electrón con respecto a un núcleo, evita que los electrones del átomo se encuentren en los átomos de tu sensor o, si te estás mirando los átomos con un haz de electrones, hace que tu haz de electrones rebote en el átomo. Creo que la interpretación de la fuerza de Coulomb de esto es que, si bien una distribución esférica discreta de eventos se aproxima a una distribución esférica continua, sigue siendo discreta, por lo que un solo evento aún puede dominar si está muy, muy cerca.
En [1/2] debería haber dicho, "cuyos vectores propios de posición se distribuyen de manera esféricamente simétrica"

A larga distancia, R ≫ a 0 , el átomo parece completamente neutral, lo cual es bueno, porque la densidad de energía del número de cargas de electrones de Avogadro es enorme. Una esfera cargada tiene energía electrostática:

tu = 3 5 q 2 4 π ϵ 0 R

Con q = norte A mi :

tu = 5 × 10 19 j / metro − 1

Eso es 12.000 megatones de TNT para una esfera de 1 metro y 1 gramo de protones. Y relojes esféricos del tamaño de la Tierra en alrededor de 2 kT.

A una distancia más cercana, la nube de electrones es extremadamente importante. Su capacidad para moverse de un átomo a otro impulsa la mayor parte, si no toda, la química. Las distorsiones (p. ej., la polarizabilidad) están detrás del comportamiento de los dieléctricos, los índices de refracción y la óptica no lineal. Y luego está el magnetismo y la biología molecular y el plegamiento de proteínas y todo eso.

TL; DR No tienen que hacerlo: los iones existen, pero son relativamente raros en comparación con la cantidad de átomos y moléculas neutros que se encuentran en la vida cotidiana, y tienen una vida relativamente corta.

Hay diferentes maneras de ver este problema:

Nube de electrones
Si consideramos un solo átomo, entonces su electrón tiene una distribución de probabilidad alrededor de un núcleo (siempre se puede elegir que nuestro sistema de referencia esté centrado en el núcleo). Dado que la nube de electrones se extiende infinitamente lejos del núcleo, el átomo aparece aproximadamente como neutral solo cuando miramos una superficie gaussiana de un radio muy grande (en comparación con el radio atómico, es decir, el grosor promedio de la nube de probabilidad).

Discreción de la carga
Otro posible punto de partida es la cuantificación de la carga: dado que la carga viene en unidades de carga iguales a las del protón y el electrón, el átomo no neutro debe tener un exceso de al menos un protón o un electrón. Para un átomo con un exceso de electrones, se puede calcular su estabilidad en comparación con uno sin exceso de electrones. Por supuesto, existen iones cargados negativa y positivamente y, a menudo, son estables, pero pierden o adquieren fácilmente los electrones sobrantes o faltantes cuando interactúan con otros átomos. Los parámetros de la interacción son tales que la configuración neutra es simplemente más estable.

Neutralidad de carga macroscópica
Un objeto que contiene muchos átomos atraerá el exceso de carga hasta que se vuelva neutral, razón por la cual rara vez se observan acumulaciones de muchos átomos ionizados. Además, una colección de átomos ionizados no sería estable debido a las interacciones repulsivas de Coulomb, lo que significa que la neutralidad de la carga es una condición de estabilidad de los objetos macroscópicos.

"Los iones existen, pero rara vez se encuentran en la vida cotidiana y tienen una vida relativamente corta". ¿Puedes ampliar esto? Muchos eventos biológicos involucran iones.
@BioPhysicist Claro, los iones están en todas partes, pero en concentraciones mucho más pequeñas que los átomos/moléculas neutrales. Si lo tomas norte a C yo en lo que sea, el número de norte a + y C yo − aiones es mucho menor que el número de moléculas de agua neutra.
Es cierto que son concentraciones "pequeñas", pero aún importan. Las células trabajan para mantener una diferencia de potencial a través de sus membranas y los potenciales de acción se basan en el movimiento de iones. Supongo que depende de lo que signifique "vida cotidiana" :)
@BioPhysicist debe interpretarse en el contexto de esta pregunta, que interpreto como: ¿ Por qué la mayoría de los átomos tienen la misma cantidad de carga positiva y negativa? Si uno mira a su alrededor, la mayor parte de la materia no es plasma ionizado, por lo que se podría afirmar que los iones son "raros". Personalmente, no soy partidario de los argumentos sobre semántica o redacción precisa, siempre que no haya riesgo de que se me malinterprete.
@BioPhysicist Ajusté la redacción.

Si la pregunta es por qué observamos más átomos neutros que iones, entonces podemos mirar a la mecánica estadística y argumentar que es energéticamente favorable. La distribución de Boltzmann nos dice que la probabilidad de estados de mayor energía es menor que la probabilidad de estados de menor energía. ∗ . Hay una energía asociada al ensamblaje de objetos cargados,

tu = ϵ 0 2 ∫ mi 2 d 3 r

integrado en todo el espacio: dado que Coulomb es de largo alcance, este aspecto puede ser muy significativo. Entonces, permitir que la materia sea gobernada aleatoriamente por la fuerza electrostática (y ninguna otra interacción) nos diría que la materia no debe cargarse a gran escala, de lo contrario mi no se desvanecerá a largo plazo y la parte de largo alcance de la integral es importante.

Claramente hay otros efectos, pero en realidad podemos ver estos efectos cuando observamos los iones en solución. El agua separa las sales en iones, y esto es a partir de minimizar un equilibrio entre la energía asociada a la entropía (de la temperatura) y la tu mencionado de antemano.

∗ ignorando los efectos de la degeneración

PD Al principio, comencé a pensar que el efecto del ion de agua se debe al agua que se mueve alrededor del ion para hacer que las cargas sean más pequeñas y reducir la energía. tu más lejos, pero no pensé que el enlace eléctrico débil del agua fuera más corto que el enlace iónico. Parece que es marginalmente más pequeño según este estudio , pero me imagino que la reorganización de la carga tiene un efecto menor que la reducción de la energía por el aumento de la entropía (todos los emparejamientos entre norte = [ 0 , ∞ ] moléculas de agua y la norte ≪ norte iones frente a todos los pares de un número igual de iones de sodio y cloro)

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