Atome und Elektronen?

Das System, das wir hier haben, ist immens kompliziert: ein Ball aus Protonen und Neutronen, umgeben von 29 Elektronen, die nach den Gesetzen der Quantenmechanik miteinander und mit dem Kern wechselwirken. Eine richtige Erklärung ist die Art von Dingen, die Sie brauchen, um ein Studium der theoretischen Chemie zu absolvieren, um sich damit vertraut zu machen.

Aber vielleicht kann ich Ihnen etwas Intuition für die Situation geben.

Wenn Sie das Elektron in die Nähe des neutralen Kupfers bringen, gibt es eine Anziehung vom Kern mit seiner Ladung von +29 sowie eine Abstoßung von den 29 Elektronen. Es stellt sich heraus, dass unterm Strich die Protonen „gewinnen“$^1$. Das heißt, wenn Sie ein Elektron neben einem Kupferatom in einem Vakuum platzieren würden, würde das Elektron mit dem Atom assoziiert werden. Es wäre jedoch nur lose verbunden, weil es all diese Abstoßung von den Elektronen gibt . Wenn Sie dieses System beispielsweise neben einem Na$^+$-Ion würde das Elektron sofort zum Natrium überspringen, wo es einen Überschuss an Protonen und damit eine viel stärkere Gesamtanziehung gibt. Das System ist, wie Sie sagen, instabil, und der Grund dafür ist, dass die 29 Elektronen eine große Abstoßung haben.

Nehmen wir nun an, wir hätten ein Kupferion, Cu$^+$, und wir platzierten ein Elektron daneben (wie zuvor im Vakuum). In diesem Fall gibt es eine Anziehung vom Kern mit seiner Ladung von +29 sowie eine Abstoßung von den 28 Elektronen. Nun, die Tatsache, dass es ein Elektron weniger als zuvor gibt, ist entscheidend, weil es bedeutet, dass die Nettoanziehung auf das lose Elektron viel höher ist, und als solches wird es sehr glücklich sein, sich mit dem Kupferion zu verbinden, um neutrales Kupfer zu bilden. Das System ist ziemlich stabil, und der Grund dafür ist, dass das Elektron zwar von den anderen 28 Elektronen abgestoßen wird, die 29 Protonen diese jedoch sicher überwiegen.

$^1$Der Grund, warum sich die Kräfte nicht genau aufheben, liegt darin, dass sich die Elektronen und die Protonen an verschiedenen Orten befinden. Zum Beispiel befinden sich einige der Elektronen auf der anderen Seite des Kerns als das lose Elektron, und da die elektrische Kraft mit zunehmender Entfernung schwächer wird, bedeutet dies, dass sie weniger Kraft auf unser Elektron ausüben als die Protonen darin der Kern. Es ist überhaupt nicht trivial zu sehen, was der Nettoeffekt sein wird (schließlich gibt es auch einige Elektronen, die unserem losen Elektron näher sind als der Kern), aber wenn Sie die Berechnungen durchführen, werden Sie feststellen, dass es eine allgemeine Anziehungskraft gibt , wie ich sagte.

Die Antwort von @gl255 ist qualitativ richtig. Ich möchte jedoch klarstellen, dass auf der Ebene einzelner Atome der überwältigende experimentelle Beweis darin besteht, dass die Quantenmechanik die Daten beschreibt und nicht der klassische Elektromagnetismus, der makroskopisch korrekt ist.

Was beim Vielteilchenproblem von 29 Protonen und 29 Elektronen passiert, ist, dass die quantenmechanische Lösung dieses Zustands bestimmte Energieniveaus zeigt , die von den 29 Elektronen aufgefüllt werden, um ein stabiles Atom zu bilden, bei dem ein großes Energiequantum (Photonenstreuung) muss aufgebracht werden, um das letzte Elektron aus seiner Bahn zu werfen . Alle unteren Atomebenen sind aufgefüllt und es gibt keine Energieebene, auf die das letzte Elektron herunterfallen könnte, näher am positiven Kern.

Wenn man sich nun die Mathematik ansieht, weisen einige dieser Elektronenorbitale große Verzerrungen von der Kugelsymmetrie auf

Die fünf d-Orbitale in ψ(x, y, z)2 bilden sich, wobei ein Kombinationsdiagramm zeigt, wie sie zusammenpassen, um den Raum um einen Atomkern auszufüllen.

Diese Verzerrung ist mathematisch dasselbe wie Dipol, Quadrupol und höhere Momente und erzeugt ein Überlauffeld in einer Richtung der negativen Ladungen, das die Anziehung positiver und die Abstoßung negativer Ladungen ermöglicht, und umgekehrt in eine andere Richtung, dh die positive Feld des Kerns wird in diese Richtung übergreifen. Diese werden als Van-der-Waals-Kräfte bezeichnet und sind für die gesamte Chemie, Festkörperformen (wie Kristallstruktur) und makroskopisches elektrostatisches Verhalten im Allgemeinen verantwortlich. Sie sind ein Potentialaufbau auf höherer Ebene, der wiederum eine quantenmechanische Lösung hat, einige davon für einige Atome extrem stabil, die Kristallstruktur mit ihrer Ordnung die dramatischste.

So:

a) Das zusätzliche Elektron spürt ein sehr schwaches Feld im Vergleich zum letzten gebundenen Elektron, das sich in einem quantisierten Zustand befindet.

b) Das letzte gebundene Elektron befindet sich in einer stabilen quantenmechanischen Umlaufbahn, die ein bestimmtes Energiequantum benötigt, um aus dem Atom herausbewegt zu werden.

c) Die unteren Atomebenen werden aufgefüllt und es gibt keine Energieebene, auf die das letzte Elektron herunterfallen könnte, näher am positiven Kern.

Sie haben Recht, dass der Kern immer noch das von Ihnen platzierte Elektron anzieht und dass dieselbe Kraft, die das platzierte Elektron abstößt, die Valenzelektronen abstößt. Sie berücksichtigen jedoch nicht, wie sich diese Kräfte ändern, wenn sich der Abstand zum Kern ändert.

Je weiter man sich vom Kern entfernt, desto geringer wird der „Zug“, den der Kern auf das Elektron ausübt. Dies sollte ziemlich intuitiv sein - analog dazu zieht ein Magnet nicht zum Kühlschrank, wenn Sie ihn einen Fuß entfernt halten. Außerdem üben Elektronen eine abstoßende Kraft gegeneinander aus – die gleiche Kraft, die man spürt, wenn man versucht, zwei Magnete mit gleicher Ladung zusammenzukleben.

Das platzierte Elektron würde sich aufgrund seiner Entfernung vom Kern und der Menge an Elektronen zwischen ihm und dem Kern nicht mit dem Atom verbinden. Da es relativ weit vom Kern entfernt ist, gibt es nicht viel Kraft, die es hineinzieht. Es gibt auch schon ziemlich viele Elektronen im Atom, also überwiegt die Kraft, die es abstößt, die Kraft, die es anzieht.