¿Por qué los átomos se atraen entre sí, si los electrones se repelen?

Las fuerzas inteatómicas han sido estudiadas mecánicamente cuánticamente. Un método bien conocido es la combinación lineal de orbitales atómicos. Orbitales moleculares. Tomemos el ejemplo más simple de molécula de hidrógeno hecha de dos átomos de hidrógeno. Ahora, cada átomo de hidrógeno tiene un orbital 1s. Estos dos orbitales 1s uno en cada átomo) darán lugar a dos orbitales moleculares de acuerdo con la conservación del número de estados. Para obtener estas órbitas moleculares, hacemos una combinación lineal del tipo a1s (de un átomo) + b1s (de otro átomo). Luego escribimos Hamiltoniano del sistema y usamos el método de variación para obtener lo que se llama ecuación secular minimizando la energía. Podemos encontrar valores propios de energía y función propia determinando las constantes a y b y también el signo (+ o-) en combinación lineal. Por lo tanto, construimos orbitales moleculares para el estado fundamental y el primer estado excitado. La diferencia de la suma de energías y la energía del estado fundamental de las moléculas proporciona energía de enlace en el estado fundamental que indica la presencia de atracción entre dos átomos. Cuando dos átomos se acercan extremadamente entre sí, el núcleo comienza la repulsión. Una repulsión adicional surge debido a la exclusión de Pauli que obliga a un electrón a un estado superior. El aumento de energía significa repulsión. Si estudiamos el orbital molecular para el estado que muestra atracción, encontramos que hay una densidad de carga de electrones bastante grande en la región entre los átomos. Aquí tenemos que tratar con dos funciones definidas en dos centros. Hay formas de transferir al centro común o usar un sistema de coordenadas elípticas. Si tomamos más orbitales atómicos en combinación lineal, podemos dar cuenta de los estados superiores de la molécula. En otro tipo de cálculos, usamos aproximaciones de partículas individuales y hacemos cálculos autoconsistentes. He intentado dar una cuenta simple con un ejemplo simple. Cualquier persona interesada en este tema debe estudiar la teoría cuántica de tres volúmenes de átomos, moléculas y sólidos por J.C. Pizarrero.

Entre dos átomos, existen fuerzas tanto atractivas como repulsivas: repulsivas entre núcleo-núcleo y electrón-electrón, y atractivas entre núcleo-electrones. Además, esta explicación está simplemente dentro de la premisa del electromagnetismo clásico. Las estructuras atómicas y moleculares se rigen por las leyes de la mecánica cuántica y muchas veces los resultados obtenidos son contra intuitivos.

Los átomos se atraen entre sí debido a la fuerza ejercida por el núcleo de los átomos. Al principio, la fuerza nuclear (es decir, la fuerza ejercida por los protones presentes en el núcleo de un átomo sobre los electrones del otro átomo) domina las fuerzas repulsivas entre los electrones de los dos átomos. Por lo tanto, se sienten atraídos el uno al otro. Pero cuando se acercan demasiado, la fuerza repulsiva debida a los electrones aumenta y equilibra las fuerzas atractivas. Por lo tanto, los átomos mantienen esa distancia en condiciones de equilibrio. ¡Y esta fuerza debería haber sido equilibrada o un átomo habría chocado y fusionado con otro átomo que, como hoy también existimos, nunca sucedió!

Los átomos se combinan entre sí debido a la fuerza ejercida por el núcleo de los átomos. Al principio, la fuerza nuclear (es decir, la fuerza ejercida por los protones presentes en el núcleo de un átomo sobre los electrones del otro átomo) domina las fuerzas repulsivas entre los electrones de los dos átomos. Por lo tanto, se sienten atraídos el uno al otro. Pero cuando se acercan demasiado, la fuerza repulsiva debida a los electrones aumenta y equilibra las fuerzas atractivas. Por lo tanto, los átomos mantienen esa distancia en condiciones de equilibrio.

La razón por la cual los átomos se unen y forman moléculas es la formación de enlaces. Hay principalmente dos tipos de bonos responsables de esto
(i) Enlace covalente
Cada vez que dos átomos se acercan entre sí, la fuerza atractiva entre el electrón y otro núcleo induce carga en cada átomo neutro.

A medida que estas fuerzas aumentan (a medida que los átomos se acercan) formarán un enlace covalente.

Ahora dirá por qué los átomos serían así aparte de los átomos separados … porque cada sistema prefiere un estado donde su energía es más baja … Ahora, si conoce la mecánica cuántica … puede calcular la energía para este sistema (que tiene potencial de potencial entre electrón-núcleo, núcleo-núcleo y electrón-electrón) entonces tendrá la energía más baja en esta configuración que cualquier otra.

(ii) Enlace iónico
Ahora cuando el electrón está en la capa más externa del átomo. Tiene la menor fuerza por núcleo. Se libera solo con poca fuerza. Entonces, cuando el electrón abandona el átomo del átomo se carga positivamente … y cuando tiene menos electrones para completar el octato (si tiene un estado vacío por la mecánica cuántica), entonces puede aceptar el electrón y el átomo se carga negativamente.

Ahora estos átomos con carga opuesta se atraen entre sí. Entonces, como se muestra en la figura, el electrón perdido por un átomo es aceptado por otro átomo.

Nota: En el enlace covalente, los electrones compartidos por los átomos y en el enlace iónico son donados o aceptados por los átomos.

Hay otro tipo de enlaces que también se forman en las moléculas.

Los átomos se unen entre sí. La repulsión de electrones solo ocurre si la distancia entre los átomos es 0.

Los átomos forman moléculas, como el H2O, debido a la afinidad electrónica, que es la zona de Ricitos de Oro del número de electrones en uso por átomo con respecto a una molécula de la sustancia.