Атомы и электроны?

Система, которую мы имеем здесь, чрезвычайно сложна: шар из протонов и нейтронов, окруженный 29 электронами, каждый из которых взаимодействует с другим и с ядром в соответствии с законами квантовой механики. Правильное объяснение — это то, что вам нужно, чтобы получить степень по теоретической химии, чтобы разобраться.

Но, возможно, я смогу дать вам некоторое представление о ситуации.

Когда вы приближаете электрон к нейтральной меди, возникает притяжение от ядра с его зарядом +29, а также отталкивание от 29 электронов. Получается, что в итоге протоны «выигрывают».$^1$. То есть, если вы поместите электрон рядом с атомом меди в вакууме, электрон будет связан с атомом. Однако это было бы связано лишь слабо, потому что есть все это отталкивание от электронов . Если вы поместите эту систему рядом, скажем, с Na$^+$ион, электрон немедленно перепрыгнул бы к натрию, где есть избыток протонов и, следовательно, гораздо более сильное общее притяжение. Как вы говорите, система нестабильна, и причина в том, что 29 электронов сильно отталкивают ее.

Теперь предположим, что у нас есть ион меди, Cu$^+$, и мы поместили рядом с ним электрон (в вакууме, как и раньше). В этом случае имеет место притяжение от ядра с его зарядом +29, а также отталкивание от 28 электронов. Теперь тот факт, что на один электрон меньше, чем раньше, имеет решающее значение, потому что это означает, что чистое притяжение на свободном электроне намного выше, и поэтому он будет очень счастлив ассоциироваться с ионом меди, образуя нейтральную медь. Система довольно стабильна, и причина в том, что, хотя электрон отталкивается от других 28 электронов, 29 протонов благополучно перевешивают его.

$^1$Причина, по которой силы не уравновешиваются, заключается в том, что электроны и протоны находятся в разных местах. Например, некоторые электроны будут находиться по другую сторону ядра от свободного электрона, и, поскольку электрическая сила с расстоянием ослабевает, это означает, что они будут оказывать на наш электрон меньшую силу, чем протоны в ядро. Совсем нетривиально увидеть, каков будет чистый эффект (в конце концов, есть также некоторые электроны, которые ближе к нашему свободному электрону, чем ядро), но если вы проведете расчеты, вы обнаружите, что существует общее притяжение. , как я сказал.

Ответ @ gl255 качественно правильный. Я хочу уточнить, однако, что на уровне отдельных атомов подавляющее экспериментальное свидетельство состоит в том, что квантовая механика описывает данные, а не классический электромагнетизм, который является правильным макроскопически.

Что происходит в проблеме многих тел 29 протонов и 29 электронов, так это то, что квантово-механическое решение этого состояния показывает определенные энергетические уровни , которые заполняются 29 электронами, чтобы сформировать стабильный атом, где большой квант энергии (рассеяние фотонов) необходимо применить, чтобы выбить последний электрон с его орбитали . Все нижние атомные уровни заполнены, и нет энергетического уровня, на который мог бы упасть последний электрон, ближе к положительному ядру.

Теперь, если взглянуть на математику, некоторые из этих электронных орбиталей имеют большие искажения из-за сферической симметрии.

Пять d-орбиталей в ψ(x, y, z)2 формируются с комбинационной диаграммой, показывающей, как они объединяются, чтобы заполнить пространство вокруг атомного ядра.

Это искажение математически такое же, как дипольный, квадрупольный и более высокие моменты, и создает поле перетекания в одном направлении отрицательных зарядов, что позволяет притягивать положительные и отталкивать отрицательные заряды, и наоборот в другом направлении, т.е. поле ядра будет распространяться в этом направлении. Они называются силами Ван-дер-Ваальса и отвечают за всю химию, твердотельные формы (например, кристаллическую структуру) и макроскопическое электростатическое поведение в целом. Они представляют собой потенциальные установки более высокого уровня, которые снова имеют квантово-механическое решение, некоторые из них для некоторых атомов чрезвычайно стабильны, кристаллическая структура с наиболее драматичным порядком.

Так:

а) лишний электрон испытывает очень слабое поле по сравнению с последним связанным электроном, находящимся в квантованном состоянии.

б) последний связанный электрон находится на стабильной квантово-механической орбите, для перемещения которой из атома требуется определенный квант энергии.

в) нижние атомные уровни заполнены и нет энергетического уровня, на который мог бы упасть последний электрон, ближе к положительному ядру.

Вы правы в том, что ядро ​​по-прежнему притягивает помещенный вами электрон, и что та же самая сила, отталкивающая помещенный электрон, отталкивает и валентные электроны. Однако вы не учитываете, как эти силы меняются при изменении расстояния до ядра.

По мере удаления от ядра «притяжение», оказываемое ядром на электрон, становится меньше. Это должно быть довольно интуитивно понятно — по аналогии магнит не будет тянуться к холодильнику, если вы держите его на расстоянии фута. Кроме того, электроны отталкивают друг друга — такую ​​же силу вы почувствуете, если попытаетесь склеить два магнита с одинаковыми зарядами.

Помещенный электрон не присоединится к атому из-за его удаленности от ядра и количества электронов между ним и ядром. Поскольку он находится относительно далеко от ядра, сила, притягивающая его, невелика. В атоме уже есть довольно много электронов, поэтому сила, отталкивающая его, перевешивает силу, притягивающую его.