गुण और पदार्थ की स्थिति (भौतिकी): एक सिंहावलोकन

पदार्थ के भौतिक गुण भौतिकी के अधिकांश भाग के अंतर्गत आते हैं। पदार्थ की अवस्था, प्रावस्था परिवर्तन और रासायनिक गुणों को समझने के अलावा, पदार्थ की चर्चा करते समय, यह महत्वपूर्ण है कि भौतिक मात्राओं को समझें जैसे घनत्व (द्रव्यमान प्रति इकाई आयतन), द्रव्यमान (पदार्थ की मात्रा) और दबाव (बल प्रति इकाई) क्षेत्र)।

आप जिस रोजमर्रा के पदार्थ से परिचित हैं, वह परमाणुओं से बना है। यही कारण है कि परमाणुओं को आमतौर पर पदार्थ के निर्माण खंड कहा जाता है। 109 से अधिक विभिन्न प्रकार के परमाणु हैं, और वे आवर्त सारणी में सभी तत्वों का प्रतिनिधित्व करते हैं।

परमाणु के दो मुख्य भाग नाभिक और इलेक्ट्रॉन खोल हैं। नाभिक परमाणु का अब तक का सबसे भारी हिस्सा है और जहां अधिकांश द्रव्यमान होता है। यह परमाणु के केंद्र में एक कसकर बंधा हुआ क्षेत्र है, और इसके द्रव्यमान के बावजूद, यह बाकी परमाणु की तुलना में अपेक्षाकृत कम जगह लेता है। नाभिक में प्रोटॉन (धनात्मक आवेशित कण) और न्यूट्रॉन (ऋणात्मक आवेशित कण) होते हैं। नाभिक में प्रोटॉन की संख्या निर्धारित करती है कि परमाणु कौन सा तत्व है, और विभिन्न संख्या में न्यूट्रॉन उस तत्व के विभिन्न समस्थानिकों के अनुरूप होते हैं।

इलेक्ट्रॉन ऋणात्मक रूप से आवेशित कण होते हैं जो नाभिक के चारों ओर एक फैला हुआ बादल या खोल बनाते हैं। एक न्यूट्रल चार्ज परमाणु में, इलेक्ट्रॉनों की संख्या प्रोटॉन की संख्या के समान होती है। यदि संख्या भिन्न है, तो परमाणु को आयन कहा जाता है।

अणु ऐसे परमाणु होते हैं जो रासायनिक बंधों द्वारा एक साथ बंधे रहते हैं। तीन प्रमुख प्रकार के रासायनिक बंधन हैं: आयनिक, सहसंयोजक और धात्विक। आयनिक बंधन तब होते हैं जब एक नकारात्मक और सकारात्मक आयन एक दूसरे के प्रति आकर्षित होते हैं। एक सहसंयोजक बंधन एक बंधन है जिसमें दो परमाणु इलेक्ट्रॉनों को साझा करते हैं। धात्विक बंधन ऐसे बंधन होते हैं जिनमें परमाणु मुक्त इलेक्ट्रॉनों के समुद्र में निहित सकारात्मक आयनों की तरह कार्य करते हैं।

परमाणुओं और अणुओं के सूक्ष्म गुण स्थूल गुणों को जन्म देते हैं जो पदार्थ के व्यवहार को निर्धारित करते हैं। तापमान में परिवर्तन के लिए अणुओं की प्रतिक्रिया, बंधनों की ताकत और इसी तरह विशिष्ट गर्मी क्षमता, लचीलापन, प्रतिक्रियाशीलता, चालकता और कई अन्य गुणों की ओर ले जाती है।

पदार्थ की अवस्था कई संभावित विशिष्ट रूपों में से एक है जिसमें पदार्थ मौजूद हो सकता है। पदार्थ की चार अवस्थाएँ होती हैं: ठोस, तरल, गैस और प्लाज्मा। प्रत्येक राज्य में अलग-अलग गुण होते हैं जो इसे अन्य राज्यों से अलग करते हैं, और चरण संक्रमण प्रक्रियाएं होती हैं जिनके द्वारा एक राज्य से दूसरे राज्य में परिवर्तन होता है।

जब आप किसी ठोस के बारे में सोचते हैं, तो आप शायद किसी न किसी तरह से कुछ कठिन या दृढ़ सोचते हैं। लेकिन ठोस लचीले, विकृत और निंदनीय भी हो सकते हैं।

ठोस अपने कसकर बंधे अणुओं द्वारा प्रतिष्ठित होते हैं। अपनी ठोस अवस्था में द्रव्य अपनी तरल अवस्था की तुलना में अधिक सघन होता है (हालाँकि इसके अपवाद हैं, विशेष रूप से पानी)। ठोस अपना आकार धारण करते हैं और उनका आयतन निश्चित होता है।

एक प्रकार का ठोस है aक्रिस्टलीयठोस। एक क्रिस्टलीय ठोस में, अणुओं को पूरी सामग्री में दोहराए जाने वाले पैटर्न में व्यवस्थित किया जाता है। क्रिस्टल को उनकी मैक्रोस्कोपिक ज्यामिति और समरूपता द्वारा आसानी से पहचाना जा सकता है।

एक अन्य प्रकार का ठोस है aबेढबठोस। यह एक ठोस है जिसमें अणु क्रिस्टल जाली में बिल्कुल भी व्यवस्थित नहीं होते हैं। एपाली क्रिस्टलीयठोस कहीं बीच में है। यह अक्सर छोटे, एकल क्रिस्टल संरचनाओं से बना होता है, लेकिन बिना दोहराए पैटर्न के।

तरल पदार्थ अणुओं से बने होते हैं जो आसानी से एक दूसरे से आगे निकल सकते हैं। आप जो पानी पीते हैं, जिस तेल से आप पकाते हैं और आपकी कार में गैसोलीन सभी तरल पदार्थ हैं। ठोस पदार्थों के विपरीत, तरल पदार्थ अपने कंटेनर के तल का आकार लेते हैं।

हालांकि तरल पदार्थ अलग-अलग तापमान और दबावों पर विस्तार और अनुबंध कर सकते हैं, ये परिवर्तन अक्सर छोटे होते हैं, और अधिकांश व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए, तरल पदार्थ को एक निश्चित मात्रा भी माना जा सकता है। एक तरल में अणु एक दूसरे के पीछे बह सकते हैं।

एक सतह से जुड़े होने पर एक तरल के थोड़ा "चिपचिपा" होने की प्रवृत्ति को कहा जाता हैआसंजन, और तरल अणुओं की आपस में चिपके रहने की क्षमता (जैसे कि जब पानी की एक बूंद पत्ती पर एक गेंद बनाती है) कहलाती हैएकजुटता​.

एक तरल में, दबाव गहराई पर निर्भर करता है, और इस वजह से, जलमग्न या आंशिक रूप से जलमग्न वस्तु वस्तु के ऊपर और नीचे के दबाव में अंतर के कारण एक उत्प्लावक बल महसूस करेगी। आर्किमिडीज का सिद्धांत इस प्रभाव का वर्णन करता है और बताता है कि कैसे वस्तुएँ तरल में तैरती या डूबती हैं। इसे इस कथन द्वारा संक्षेपित किया जा सकता है कि "उत्प्लावन बल विस्थापित द्रव के भार के बराबर होता है।" जैसे, उत्प्लावन बल द्रव के घनत्व और वस्तु के आकार पर निर्भर करता है। जो वस्तुएँ तरल से अधिक सघन हैं वे डूब जाएँगी और जो कम सघन हैं वे तैर जाएँगी।

गैसों में अणु होते हैं जो आसानी से एक दूसरे के चारों ओर घूम सकते हैं। वे अपने कंटेनर का पूरा आकार और मात्रा लेते हैं और बहुत आसानी से विस्तार और अनुबंध करते हैं। गैस के महत्वपूर्ण गुणों में दबाव, तापमान और आयतन शामिल हैं। वास्तव में, ये तीन मात्राएँ एक आदर्श गैस की स्थूल अवस्था का पूरी तरह से वर्णन करने के लिए पर्याप्त हैं।

एक आदर्श गैस एक गैस है जिसमें अणुओं को बिंदु कणों के रूप में अनुमानित किया जा सकता है और जिसमें यह माना जाता है कि वे एक दूसरे के साथ बातचीत नहीं करते हैं। आदर्श गैस कानून कई गैसों के व्यवहार का वर्णन करता है और सूत्र द्वारा दिया जाता है

कहां हैपीदबाव है,वीमात्रा है,नहींकिसी पदार्थ के मोलों की संख्या है,आरआदर्श गैस स्थिरांक है (आर= ८.३१४५ जे/मोलके) औरटीतापमान है।

इस कानून का एक वैकल्पिक सूत्रीकरण है

कहां हैनहींअणुओं की संख्या है औरकबोल्ट्जमान नियतांक है (क​ = 1.38065 × 10^-23 जम्मू/कश्मीर). (एक संशयवादी पाठक यह सत्यापित कर सकता है किएनआर = एनके​.)

गैसें अपने में डूबी वस्तुओं पर भी उत्प्लावन बल लगाती हैं। जबकि अधिकांश रोजमर्रा की वस्तुएं हमारे चारों ओर की हवा से सघन होती हैं, इस उत्प्लावक बल को बहुत ध्यान देने योग्य नहीं बनाते हैं, एक हीलियम गुब्बारा इसका एक आदर्श उदाहरण है।

प्लाज्मा एक गैस है जो इतनी गर्म हो गई है कि इलेक्ट्रॉनों के समुद्र में सकारात्मक आयनों को छोड़कर इलेक्ट्रॉन परमाणुओं को छोड़ देते हैं। चूँकि कुल मिलाकर प्लाज्मा में समान संख्या में धनात्मक और ऋणात्मक आवेश होते हैं, इसलिए इसे माना जाता है अर्ध-तटस्थ, हालांकि आवेशों के पृथक्करण और स्थानीय क्लंपिंग के कारण प्लाज्मा a. की तुलना में बहुत अलग व्यवहार करता है नियमित गैस।

प्लाज्मा विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों से महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित होता है। इन क्षेत्रों को बाहरी होने की भी आवश्यकता नहीं है, क्योंकि प्लाज्मा में आवेश स्वयं विद्युत क्षेत्र और चुंबकीय क्षेत्र बनाते हैं जैसे वे चलते हैं, जो एक दूसरे को प्रभावित करते हैं।

कम तापमान और ऊर्जा पर, इलेक्ट्रॉन और आयन तटस्थ परमाणुओं में पुनर्संयोजन करना चाहते हैं, इसलिए प्लाज्मा अवस्था को बनाए रखने के लिए आमतौर पर उच्च तापमान की आवश्यकता होती है। हालांकि, तथाकथित गैर-थर्मल प्लाज्मा बनाया जा सकता है जहां इलेक्ट्रॉन स्वयं उच्च तापमान बनाए रखते हैं जबकि आयनित नाभिक नहीं करते हैं। उदाहरण के लिए, फ्लोरोसेंट लैंप में पारा-वाष्प गैस में ऐसा होता है।

जरूरी नहीं कि "सामान्य" गैस और प्लाज्मा के बीच एक अलग कट ऑफ हो। गैस में परमाणु और अणु डिग्री से आयनित हो सकते हैं, अधिक प्लास्मलाइक गतिशीलता प्रदर्शित करते हुए गैस पूरी तरह से आयनित होने के करीब पहुंच जाती है। प्लाज्मा को इसकी उच्च विद्युत चालकता द्वारा मानक गैसों से अलग किया जाता है, तथ्य यह है कि यह दो अलग-अलग प्रकार के कणों (सकारात्मक आयनों और नकारात्मक इलेक्ट्रॉनों) के साथ एक प्रणाली की तरह कार्य करता है। एक प्रकार (तटस्थ परमाणु या अणु) के साथ एक प्रणाली के विपरीत, और कण टकराव और बातचीत जो मानक में 2-बॉडी "पूल बॉल" इंटरैक्शन से कहीं अधिक जटिल हैं गैस।

प्लाज्मा के उदाहरणों में बिजली, पृथ्वी का आयनोस्फीयर, फ्लोरोसेंट लाइटिंग और सूर्य में गैसें शामिल हैं।

पदार्थ एक अवस्था या अवस्था से दूसरी अवस्था में भौतिक परिवर्तन कर सकता है। इस परिवर्तन को प्रभावित करने वाले मुख्य कारक दबाव और तापमान हैं। एक सामान्य नियम के रूप में, एक ठोस को तरल में बदलने के लिए गर्म होना चाहिए, एक तरल को गैस में बदलने के लिए गर्म होना चाहिए, और एक गैस को आयनित होने और प्लाज्मा बनने के लिए गर्म होना चाहिए। जिस तापमान पर ये संक्रमण होते हैं वह सामग्री के साथ-साथ दबाव पर भी निर्भर करता है। वास्तव में, सही परिस्थितियों में ठोस से गैस (इसे ऊर्ध्वपातन कहा जाता है) या गैस से ठोस (निक्षेपण) में सीधे जाना संभव है।

जब किसी ठोस को उसके गलनांक तक गर्म किया जाता है तो वह द्रव बन जाता है। पिघलने के तापमान तक ठोस को गर्म करने के लिए ऊष्मा ऊर्जा को जोड़ा जाना चाहिए, और फिर तापमान में वृद्धि जारी रखने से पहले चरण संक्रमण को पूरा करने के लिए अतिरिक्त गर्मी को जोड़ा जाना चाहिए।फ्यूजन की अव्यक्त गर्मीप्रत्येक विशेष सामग्री से जुड़ा एक स्थिरांक है जो यह निर्धारित करता है कि पदार्थ के एक इकाई द्रव्यमान को पिघलाने के लिए कितनी ऊर्जा की आवश्यकता है।

यह दूसरी दिशा में भी काम करता है। जैसे ही एक तरल ठंडा होता है, उसे ऊष्मा ऊर्जा छोड़नी चाहिए। एक बार जब यह हिमांक तक पहुंच जाता है, तो तापमान कम होने से पहले चरण संक्रमण से गुजरने के लिए इसे ऊर्जा देना जारी रखना चाहिए।

इसी प्रकार का व्यवहार तब होता है जब किसी द्रव को उसके क्वथनांक तक गर्म किया जाता है। ऊष्मा ऊर्जा को जोड़ा जाता है, जिससे तापमान में वृद्धि होती है, जब तक कि यह उबलने न लगे, जिस बिंदु पर अतिरिक्त ऊष्मा ऊर्जा का उपयोग किया जाता है चरण संक्रमण का कारण बनने के लिए, और परिणामी गैस का तापमान तब तक नहीं बढ़ेगा जब तक कि सभी तरल बदल न जाएं चरण। एक स्थिरांक जिसे कहा जाता हैवाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मानिर्धारित करता है, किसी विशेष पदार्थ के लिए, पदार्थ के चरण को तरल से गैस में प्रति इकाई द्रव्यमान में बदलने के लिए कितनी ऊर्जा की आवश्यकता होती है। किसी पदार्थ के लिए वाष्पीकरण की गुप्त गर्मी आम तौर पर संलयन की गुप्त गर्मी से काफी अधिक होती है।

पदार्थ के रासायनिक गुण यह निर्धारित करते हैं कि किस प्रकार की रासायनिक प्रतिक्रियाएँ या रासायनिक परिवर्तन हो सकते हैं। रासायनिक गुण भौतिक गुणों से इस मायने में भिन्न होते हैं कि उन्हें मापने के लिए किसी प्रकार के रासायनिक परिवर्तन की आवश्यकता होती है।

रासायनिक गुणों के उदाहरणों में ज्वलनशीलता (किसी सामग्री को जलाना कितना आसान है), प्रतिक्रियाशीलता (यह कितनी आसानी से गुजरती है) शामिल हैं रासायनिक प्रतिक्रियाएं), स्थिरता (रासायनिक परिवर्तन का विरोध करने की कितनी संभावना है) और बांड के प्रकार सामग्री अन्य के साथ बना सकते हैं सामग्री।

जब कोई रासायनिक प्रतिक्रिया होती है, तो परमाणुओं के बीच के बंधन बदल जाते हैं और नए पदार्थ बनते हैं। सामान्य प्रकार की रासायनिक प्रतिक्रियाओं में संयोजन (जिसमें दो या दो से अधिक अणु मिलकर एक नया अणु बनाते हैं), अपघटन (जिसमें एक अणु दो भागों में टूट जाता है) शामिल हैं। या अधिक भिन्न अणु) और दहन (जिसमें यौगिक ऑक्सीजन के साथ जुड़ते हैं, महत्वपूर्ण मात्रा में ऊष्मा छोड़ते हैं - जिसे आमतौर पर "जलन" कहा जाता है) एक नाम देने के लिए कुछ।