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

Question

Sé que un objeto puede volverse negativo neto o positivo neto perdiendo o ganando electrones, y teniendo más o menos protones que electrones, pero ¿por qué no pueden transferirse también protones?

Answer 1

La energía necesaria para extraer un electrón de un átomo se denomina su energía de ionización . Las energías de ionización típicas son de cinco o diez electronvoltios. Un fotón de luz visible tiene una energía inferior a $\rm3\,eV$ y no puede ionizar la mayoría de los átomos libres. La luz ultravioleta de la luz solar es suficiente para que los átomos de la Tierra se ionicen preferentemente durante el día, lo que da lugar a una química muy interesante. Sin embargo, las temperaturas típicas de la Tierra $(T=\rm300\,K$ , $k_BT = \frac{1}{40}\rm eV)$ son lo suficientemente bajos como para que los átomos no se ionicen espontáneamente. La relativa estabilidad de los átomos frente a la ionización permite la existencia de 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 o diez millones electronvoltios. En un entorno en el que se estuviera produciendo la separación de protones, habría tanta energía dando vueltas que todos los núcleos estarían completamente ionizado, sin electrones ligados. Si tú, una persona biológica hecha de moléculas como ADN y proteínas, visitaras un entorno así, ya no estarías hecho de moléculas después de tu visita y, por tanto, habrías olvidado tu pregunta.

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

Es posible que conozca algunas consecuencias de una reacción de transferencia de nucleones. La radiación energética del espacio exterior puede causar espalación al interactuar con la Tierra, ya sea con la atmósfera o con los núcleos más pesados bajo la superficie terrestre. Algunos de los productos de la 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 mediante

$$ \rm ^{14}N + n \to p + {}^{14}C $$

El carbono-14 volverá a desintegrarse en nitrógeno, con una vida media de unos 5.000 años. Así que si encuentras un objeto hecho de carbono, puedes medir la proporción de carbono-14 frente al carbono-12 y saber si ese carbono fue destilado recientemente de la atmósfera. El carbono sale de la atmósfera principalmente para concentrarse en las plantas vivas (y en los comedores de plantas recientemente vivas), mientras que el carbono no orgánico no acumula nuevo carbono-14: un objeto carbonoso con carbono-14 probablemente estuvo vivo en un pasado geológicamente reciente, y averiguar cuán reciente es sencillo.

Answer 2

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 (olvida por un segundo 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, obtenemos 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 (de ahí que los procesos en los que esto ocurre se denominen procesos nucleares).

Answer 3

Algunos isótopos fabricados artificialmente pueden emiten protones .

Answer 4

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

Se mezcla 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).

Answer 5

¿Alguna vez se ha preguntado por qué la fuerza fuerte se llama "fuerte"? Es mucho más fuerte que la fuerza EM (y que todas las demás a esta escala), y en tu ejemplo suele ser mucho más fácil vencer a la fuerza EM que a 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 entero como objeto cuántico ligado, pero lo que realmente podemos decir es que el protón (sus constituyentes) está ligado por la fuerza fuerte. Igual que los protones y los neutrones están ligados por la fuerza fuerte residual (nuclear). En este caso, la fuerza EM (la carga de los protones) contribuye a que el núcleo sea un objeto QM ligado, pero la fuerza nuclear es la que domina de forma abrumadora.

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

Dicho esto, no es imposible, como puedes ver en otras respuestas (de @rob y @redgiant), como en tu ejemplo, quitar o añadir un protón a un átomo, es sólo que vivimos en un universo donde QM es la teoría subyacente y los procesos QM energéticamente favorables son más probables.