ठोस पदार्थ वे होते हैं जो पिंड बनाने और आयतन रखने में सक्षम होते हैं। वे अपने आकार में तरल पदार्थ और गैसों से भिन्न होते हैं। ठोस शरीर के आकार को इस तथ्य के कारण बनाए रखते हैं कि उनके कण स्वतंत्र रूप से चलने में सक्षम नहीं हैं। वे अपने घनत्व, प्लास्टिसिटी, विद्युत चालकता और रंग में भिन्न होते हैं। उनके पास अन्य गुण भी हैं। इसलिए, उदाहरण के लिए, इनमें से अधिकांश पदार्थ गर्म होने के दौरान पिघल जाते हैं, एकत्रीकरण की एक तरल अवस्था प्राप्त कर लेते हैं। उनमें से कुछ, गर्म होने पर, तुरंत गैस (उच्च बनाने की क्रिया) में बदल जाते हैं। लेकिन कुछ ऐसे भी हैं जो अन्य पदार्थों में विघटित हो जाते हैं।
ठोस के प्रकार
सभी ठोस दो समूहों में विभाजित हैं।
- अनाकार, जिसमें अलग-अलग कणों को बेतरतीब ढंग से व्यवस्थित किया जाता है। दूसरे शब्दों में: उनके पास स्पष्ट (परिभाषित) संरचना नहीं है। ये ठोस एक निर्दिष्ट तापमान सीमा के भीतर पिघलने में सक्षम हैं।इनमें से सबसे आम में कांच और राल शामिल हैं।
- क्रिस्टलीय, जो बदले में, 4 प्रकारों में विभाजित होते हैं: परमाणु, आणविक, आयनिक, धातु। उनमें, कण केवल एक निश्चित पैटर्न के अनुसार स्थित होते हैं, अर्थात् क्रिस्टल जाली के नोड्स पर। विभिन्न पदार्थों में इसकी ज्यामिति बहुत भिन्न हो सकती है।
ठोस क्रिस्टलीय पदार्थ अनाकार पदार्थों पर उनकी संख्या में प्रबल होते हैं।
क्रिस्टलीय ठोस के प्रकार
ठोस अवस्था में लगभग सभी पदार्थों की क्रिस्टलीय संरचना होती है। वे अपनी संरचना में भिन्न होते हैं। उनके नोड्स में क्रिस्टल जाली में विभिन्न कण और रासायनिक तत्व होते हैं। यह उनके अनुसार है कि उन्हें उनके नाम मिले। प्रत्येक प्रकार में इसके लिए विशिष्ट गुण होते हैं:
- परमाणु क्रिस्टल जालक में किसी ठोस के कण सहसंयोजक बंध से बंधे होते हैं। यह अपने स्थायित्व के लिए बाहर खड़ा है। इसके कारण, ऐसे पदार्थों का गलनांक और क्वथनांक उच्च होता है। इस प्रकार में क्वार्ट्ज और हीरा शामिल हैं।
- आणविक क्रिस्टल जाली में, कणों के बीच का बंधन इसकी कमजोरी से अलग होता है। इस प्रकार के पदार्थों को उबालने और पिघलने में आसानी होती है। वे अस्थिर होते हैं, जिसके कारण उनमें एक निश्चित गंध होती है। इन ठोस पदार्थों में बर्फ और चीनी शामिल हैं। इस प्रकार के ठोस पदार्थों में अणुओं की गति उनकी गतिविधि से भिन्न होती है।
- नोड्स पर आयनिक क्रिस्टल जाली में, संबंधित कण वैकल्पिक होते हैं, सकारात्मक रूप से चार्ज होते हैं औरनकारात्मक। वे इलेक्ट्रोस्टैटिक आकर्षण द्वारा एक साथ रखे जाते हैं। इस प्रकार का जालक क्षार, लवण, क्षारकीय ऑक्साइड में पाया जाता है। इस प्रकार के कई पदार्थ पानी में आसानी से घुलनशील होते हैं। आयनों के बीच काफी मजबूत बंधन के कारण, वे दुर्दम्य हैं। उनमें से लगभग सभी गंधहीन हैं, क्योंकि उन्हें गैर-अस्थिरता की विशेषता है। आयनिक जाली वाले पदार्थ विद्युत प्रवाह का संचालन करने में असमर्थ होते हैं, क्योंकि उनमें मुक्त इलेक्ट्रॉन नहीं होते हैं। आयनिक ठोस का एक विशिष्ट उदाहरण टेबल सॉल्ट है। इस तरह की क्रिस्टल जाली इसे भंगुर बनाती है। यह इस तथ्य के कारण है कि इसमें किसी भी बदलाव से आयन प्रतिकर्षण बलों का उदय हो सकता है।
- धातु क्रिस्टल जाली में नोड्स पर केवल सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए रासायनिक आयन होते हैं। उनके बीच मुक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं जिनसे तापीय और विद्युत ऊर्जा पूरी तरह से गुजरती है। यही कारण है कि किसी भी धातु को चालकता जैसी विशेषता द्वारा प्रतिष्ठित किया जाता है।
कठोर शरीर की सामान्य अवधारणा
ठोस और पदार्थ व्यावहारिक रूप से एक ही चीज हैं। ये शब्द एकत्रीकरण के 4 राज्यों में से एक को संदर्भित करते हैं। ठोसों का आकार स्थिर होता है और परमाणुओं की तापीय गति की प्रकृति होती है। इसके अलावा, बाद वाले संतुलन की स्थिति के पास छोटे दोलन करते हैं। विज्ञान की वह शाखा जो संघटन और आंतरिक संरचना का अध्ययन करती है, ठोस अवस्था भौतिकी कहलाती है। ऐसे पदार्थों से संबंधित ज्ञान के अन्य महत्वपूर्ण क्षेत्र हैं। बाहरी प्रभावों और गति के तहत आकार में परिवर्तन को विकृत शरीर के यांत्रिकी कहा जाता है।
ठोस के विभिन्न गुणों के कारण, उन्होंने मनुष्य द्वारा बनाए गए विभिन्न तकनीकी उपकरणों में आवेदन पाया है। सबसे अधिक बार, उनका उपयोग कठोरता, मात्रा, द्रव्यमान, लोच, प्लास्टिसिटी, नाजुकता जैसे गुणों पर आधारित था। आधुनिक विज्ञान ठोस पदार्थों के अन्य गुणों के उपयोग की अनुमति देता है जो केवल प्रयोगशाला में पाए जा सकते हैं।
क्रिस्टल क्या होते हैं
क्रिस्टल एक निश्चित क्रम में व्यवस्थित कणों वाले ठोस पिंड होते हैं। प्रत्येक रासायनिक पदार्थ की अपनी संरचना होती है। इसके परमाणु एक त्रि-आयामी आवधिक व्यवस्था बनाते हैं जिसे क्रिस्टल जाली कहा जाता है। ठोस में विभिन्न संरचनात्मक समरूपताएं होती हैं। एक ठोस की क्रिस्टलीय अवस्था को स्थिर माना जाता है क्योंकि इसमें न्यूनतम मात्रा में संभावित ऊर्जा होती है।
ठोस सामग्री (प्राकृतिक) के विशाल बहुमत में बड़ी संख्या में बेतरतीब ढंग से उन्मुख व्यक्तिगत अनाज (क्रिस्टलीय) होते हैं। ऐसे पदार्थों को पॉलीक्रिस्टलाइन कहा जाता है। इनमें तकनीकी मिश्र धातु और धातु, साथ ही कई चट्टानें शामिल हैं। मोनोक्रिस्टलाइन एकल प्राकृतिक या सिंथेटिक क्रिस्टल को संदर्भित करता है।
अक्सर ऐसे ठोस द्रव अवस्था की अवस्था से बनते हैं, जो गलन या विलयन द्वारा दर्शाए जाते हैं। कभी-कभी ये गैसीय अवस्था से प्राप्त होते हैं। इस प्रक्रिया को क्रिस्टलीकरण कहा जाता है। वैज्ञानिक और तकनीकी प्रगति के लिए धन्यवाद, विभिन्न पदार्थों के बढ़ने (संश्लेषण) की प्रक्रिया ने एक औद्योगिक पैमाने प्राप्त किया है। अधिकांश क्रिस्टल का नियमित रूप से प्राकृतिक आकार होता हैबहुफलक उनके आकार बहुत अलग हैं। तो, प्राकृतिक क्वार्ट्ज (रॉक क्रिस्टल) का वजन सैकड़ों किलोग्राम तक हो सकता है, और हीरे - कई ग्राम तक।
अनाकार ठोस में, परमाणु बेतरतीब ढंग से स्थित बिंदुओं के आसपास निरंतर दोलन में होते हैं। वे एक निश्चित शॉर्ट-रेंज ऑर्डर बनाए रखते हैं, लेकिन कोई लॉन्ग-रेंज ऑर्डर नहीं है। यह इस तथ्य के कारण है कि उनके अणु ऐसी दूरी पर स्थित हैं जिनकी तुलना उनके आकार से की जा सकती है। हमारे जीवन में इस तरह के ठोस का सबसे आम उदाहरण कांच की अवस्था है। अनाकार पदार्थों को अक्सर एक असीम रूप से उच्च चिपचिपाहट वाले तरल के रूप में माना जाता है। उनके क्रिस्टलीकरण का समय कभी-कभी इतना लंबा होता है कि वह बिल्कुल भी दिखाई नहीं देता।
इन पदार्थों के उपरोक्त गुण ही इन्हें विशिष्ट बनाते हैं। अनाकार ठोस को अस्थिर माना जाता है क्योंकि वे समय के साथ क्रिस्टलीय बन सकते हैं।
एक ठोस बनाने वाले अणु और परमाणु उच्च घनत्व पर पैक होते हैं। वे व्यावहारिक रूप से अन्य कणों के सापेक्ष अपनी पारस्परिक स्थिति बनाए रखते हैं और अंतःक्रियात्मक बातचीत के कारण एक साथ रहते हैं। किसी ठोस के अणुओं के बीच की विभिन्न दिशाओं में दूरी को जालक प्राचल कहते हैं। पदार्थ की संरचना और इसकी समरूपता कई गुणों को निर्धारित करती है, जैसे कि इलेक्ट्रॉन बैंड, दरार और प्रकाशिकी। जब एक ठोस पर पर्याप्त रूप से बड़ा बल लगाया जाता है, तो इन गुणों का एक डिग्री या किसी अन्य तक उल्लंघन किया जा सकता है। इस मामले में, ठोस शरीर स्थायी विरूपण के अधीन है।
ठोस के परमाणु दोलन गति करते हैं, जो तापीय ऊर्जा के उनके कब्जे को निर्धारित करते हैं। चूंकि वे नगण्य हैं, उन्हें केवल प्रयोगशाला स्थितियों में ही देखा जा सकता है। किसी ठोस की आणविक संरचना उसके गुणों को बहुत प्रभावित करती है।
ठोस का अध्ययन
इन पदार्थों की विशेषताएं, गुण, उनके गुण और कणों की गति का अध्ययन ठोस अवस्था भौतिकी के विभिन्न उपखंडों द्वारा किया जाता है।
अध्ययन के लिए उपयोग किया जाता है: रेडियोस्पेक्ट्रोस्कोपी, एक्स-रे और अन्य विधियों का उपयोग करके संरचनात्मक विश्लेषण। इस प्रकार ठोसों के यांत्रिक, भौतिक और तापीय गुणों का अध्ययन किया जाता है। सामग्री विज्ञान द्वारा कठोरता, भार प्रतिरोध, तन्य शक्ति, चरण परिवर्तनों का अध्ययन किया जाता है। यह काफी हद तक ठोस अवस्था भौतिकी को प्रतिध्वनित करता है। एक और महत्वपूर्ण आधुनिक विज्ञान है। ठोस अवस्था रसायन द्वारा विद्यमान और नए पदार्थों के संश्लेषण का अध्ययन किया जाता है।
ठोस की विशेषताएं
एक ठोस के परमाणुओं के बाहरी इलेक्ट्रॉनों की गति की प्रकृति इसके कई गुणों को निर्धारित करती है, उदाहरण के लिए, विद्युत। ऐसे निकायों के 5 वर्ग हैं। वे परमाणु बंधन के प्रकार के आधार पर निर्धारित होते हैं:
- आयनिक, जिसकी मुख्य विशेषता इलेक्ट्रोस्टैटिक आकर्षण का बल है। इसकी विशेषताएं: अवरक्त क्षेत्र में प्रकाश का प्रतिबिंब और अवशोषण। कम तापमान पर, आयनिक बंधन कम विद्युत चालकता की विशेषता है। ऐसे पदार्थ का एक उदाहरण हाइड्रोक्लोरिक एसिड (NaCl) का सोडियम नमक है।
- सहसंयोजक,एक इलेक्ट्रॉन जोड़ी द्वारा किया जाता है जो दोनों परमाणुओं से संबंधित होता है। इस तरह के बंधन को विभाजित किया गया है: सिंगल (सरल), डबल और ट्रिपल। ये नाम इलेक्ट्रॉनों के जोड़े (1, 2, 3) की उपस्थिति का संकेत देते हैं। डबल और ट्रिपल बॉन्ड को मल्टीपल बॉन्ड कहा जाता है। इस समूह का एक और विभाजन है। तो, इलेक्ट्रॉन घनत्व के वितरण के आधार पर, ध्रुवीय और गैर-ध्रुवीय बंधन प्रतिष्ठित हैं। पहला अलग-अलग परमाणुओं से बनता है, और दूसरा एक ही है। पदार्थ की ऐसी ठोस अवस्था, जिसके उदाहरण हीरा (C) और सिलिकॉन (Si) हैं, इसके घनत्व से अलग है। सबसे कठोर क्रिस्टल विशेष रूप से सहसंयोजक बंधन से संबंधित होते हैं।
- धात्विक, परमाणुओं के संयोजकता इलेक्ट्रॉनों के संयोजन से बनता है। नतीजतन, एक सामान्य इलेक्ट्रॉन बादल दिखाई देता है, जो विद्युत वोल्टेज के प्रभाव में विस्थापित होता है। एक धात्विक बंधन तब बनता है जब बंधित परमाणु बड़े होते हैं। वे इलेक्ट्रॉन दान करने में सक्षम हैं। कई धातुओं और जटिल यौगिकों में, यह बंधन पदार्थ की एक ठोस अवस्था बनाता है। उदाहरण: सोडियम, बेरियम, एल्युमिनियम, तांबा, सोना। गैर-धातु यौगिकों में से, निम्नलिखित पर ध्यान दिया जा सकता है: AlCr2, Ca2Cu, Cu5 जेडएन 8। धात्विक बंध (धातु) वाले पदार्थ अपने भौतिक गुणों में विविध होते हैं। वे तरल (Hg), नरम (Na, K), बहुत कठोर (W, Nb) हो सकते हैं।
- आणविक, क्रिस्टल में उत्पन्न होने वाले, जो किसी पदार्थ के अलग-अलग अणुओं द्वारा बनते हैं। यह शून्य इलेक्ट्रॉन घनत्व वाले अणुओं के बीच अंतराल की विशेषता है। ऐसे क्रिस्टल में परमाणुओं को बांधने वाली ताकतें महत्वपूर्ण होती हैं। अणु आकर्षित होते हैंकेवल कमजोर अंतःआण्विक आकर्षण द्वारा एक दूसरे के प्रति। यही कारण है कि गर्म करने पर उनके बीच के बंधन आसानी से नष्ट हो जाते हैं। परमाणुओं के बीच के बंधनों को तोड़ना अधिक कठिन होता है। आणविक बंधन को ओरिएंटल, फैलाव और आगमनात्मक में विभाजित किया गया है। ऐसे पदार्थ का एक उदाहरण ठोस मीथेन है।
- हाइड्रोजन, जो एक अणु या उसके हिस्से के सकारात्मक ध्रुवीकृत परमाणुओं और दूसरे अणु या अन्य भाग के सबसे छोटे नकारात्मक ध्रुवीकृत कण के बीच होता है। इन बंधनों में बर्फ शामिल है।
ठोस के गुण
आज हम क्या जानते हैं? वैज्ञानिकों ने लंबे समय से पदार्थ की ठोस अवस्था के गुणों का अध्ययन किया है। तापमान के संपर्क में आने पर यह भी बदल जाता है। ऐसे पिंड का द्रव में परिवर्तन गलनांक कहलाता है। किसी ठोस का गैसीय अवस्था में परिवर्तन ऊर्ध्वपातन कहलाता है। जब तापमान कम होता है, तो ठोस का क्रिस्टलीकरण होता है। ठंड के प्रभाव में कुछ पदार्थ अनाकार चरण में चले जाते हैं। वैज्ञानिक इस प्रक्रिया को विट्रीफिकेशन कहते हैं।
चरण संक्रमण के दौरान, ठोस की आंतरिक संरचना बदल जाती है। यह घटते तापमान के साथ सबसे बड़ा क्रम प्राप्त करता है। वायुमंडलीय दबाव और तापमान T > 0 K पर, प्रकृति में मौजूद कोई भी पदार्थ जम जाता है। केवल हीलियम, जिसे क्रिस्टलीकृत करने के लिए 24 atm के दबाव की आवश्यकता होती है, इस नियम का अपवाद है।
पदार्थ की ठोस अवस्था इसे विभिन्न भौतिक गुण प्रदान करती है। वे निकायों के विशिष्ट व्यवहार की विशेषता रखते हैंकुछ क्षेत्रों और बलों के प्रभाव में। इन संपत्तियों को समूहों में बांटा गया है। 3 प्रकार की ऊर्जा (मैकेनिकल, थर्मल, इलेक्ट्रोमैग्नेटिक) के अनुरूप एक्सपोज़र के 3 तरीके हैं। तदनुसार, ठोस पदार्थों के भौतिक गुणों के 3 समूह हैं:
- शरीर के तनाव और खिंचाव से जुड़े यांत्रिक गुण। इन मानदंडों के अनुसार, ठोस को लोचदार, रियोलॉजिकल, ताकत और तकनीकी में विभाजित किया जाता है। आराम करने पर, ऐसा शरीर अपना आकार बनाए रखता है, लेकिन बाहरी बल की कार्रवाई के तहत यह बदल सकता है। उसी समय, इसकी विकृति प्लास्टिक हो सकती है (प्रारंभिक रूप वापस नहीं आता है), लोचदार (अपने मूल रूप में लौटता है) या विनाशकारी (जब एक निश्चित सीमा तक पहुंच जाता है, तो क्षय / फ्रैक्चर होता है)। लागू बल की प्रतिक्रिया को लोच के मापांक द्वारा वर्णित किया जाता है। एक ठोस शरीर न केवल संपीड़न, खिंचाव, बल्कि बदलाव, मरोड़ और झुकने का भी विरोध करता है। एक ठोस शरीर की ताकत विनाश का विरोध करने की उसकी संपत्ति है।
- थर्मल, तापीय क्षेत्रों के संपर्क में आने पर प्रकट होता है। सबसे महत्वपूर्ण गुणों में से एक गलनांक है जिस पर शरीर एक तरल अवस्था में जाता है। यह क्रिस्टलीय ठोस में देखा जाता है। अनाकार निकायों में संलयन की गुप्त गर्मी होती है, क्योंकि बढ़ते तापमान के साथ तरल अवस्था में उनका संक्रमण धीरे-धीरे होता है। एक निश्चित ऊष्मा तक पहुँचने पर, अनाकार शरीर अपनी लोच खो देता है और प्लास्टिसिटी प्राप्त कर लेता है। इस अवस्था का अर्थ है कि यह कांच के संक्रमण तापमान तक पहुँच गया है। गर्म होने पर, ठोस का विरूपण होता है। और ज्यादातर समय यह फैलता है। मात्रात्मक रूप से यहराज्य को एक निश्चित गुणांक की विशेषता है। शरीर का तापमान यांत्रिक गुणों जैसे तरलता, लचीलापन, कठोरता और ताकत को प्रभावित करता है।
- इलेक्ट्रोमैग्नेटिक, माइक्रोपार्टिकल्स के प्रवाह के ठोस पदार्थ और उच्च कठोरता के विद्युत चुम्बकीय तरंगों के प्रभाव से जुड़ा हुआ है। विकिरण गुण भी उन्हें सशर्त रूप से संदर्भित किया जाता है।
जोन संरचना
ठोसों को भी तथाकथित बैंड संरचना के अनुसार वर्गीकृत किया जाता है। तो, उनमें से वे भेद करते हैं:
- कंडक्टर, इसकी विशेषता है कि उनके चालन और वैलेंस बैंड ओवरलैप करते हैं। इस मामले में, थोड़ी सी ऊर्जा प्राप्त करते हुए, इलेक्ट्रॉन उनके बीच स्थानांतरित हो सकते हैं। सभी धातुएँ चालक हैं। जब इस तरह के शरीर पर एक संभावित अंतर लागू होता है, तो एक विद्युत प्रवाह बनता है (न्यूनतम और उच्चतम क्षमता वाले बिंदुओं के बीच इलेक्ट्रॉनों की मुक्त गति के कारण)।
- डाइलेक्ट्रिक्स जिनके क्षेत्र ओवरलैप नहीं होते हैं। उनके बीच का अंतराल 4 eV से अधिक है। संयोजकता से चालन बैंड तक इलेक्ट्रॉनों के संचालन के लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इन गुणों के कारण, डाइलेक्ट्रिक्स व्यावहारिक रूप से वर्तमान का संचालन नहीं करते हैं।
- अर्धचालक चालन और संयोजकता बैंड की अनुपस्थिति की विशेषता है। उनके बीच का अंतराल 4 eV से कम है। संयोजकता से चालन बैंड में इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करने के लिए, डाइलेक्ट्रिक्स की तुलना में कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है। शुद्ध (अनडॉप्ड और नेटिव) सेमीकंडक्टर्स करंट को अच्छी तरह से पास नहीं करते हैं।
ठोस में अणुओं की गति उनके विद्युत चुम्बकीय गुणों को निर्धारित करती है।
अन्यगुण
ठोस पिंडों को भी उनके चुंबकीय गुणों के अनुसार उप-विभाजित किया जाता है। तीन समूह हैं:
- डायमैग्नेट, जिसके गुण तापमान या एकत्रीकरण की स्थिति पर बहुत कम निर्भर करते हैं।
- परमाणु चालन इलेक्ट्रॉनों के उन्मुखीकरण और परमाणुओं के चुंबकीय क्षणों के परिणामस्वरूप उत्पन्न होते हैं। क्यूरी के नियम के अनुसार, तापमान के अनुपात में उनकी संवेदनशीलता कम हो जाती है। तो, 300 K पर यह 10-5 है।
- परमाणुओं के एक लंबी दूरी के क्रम के साथ एक क्रमबद्ध चुंबकीय संरचना वाले निकाय। उनकी जाली के नोड्स पर, चुंबकीय क्षण वाले कण समय-समय पर स्थित होते हैं। ऐसे ठोस और पदार्थ अक्सर मानव गतिविधि के विभिन्न क्षेत्रों में उपयोग किए जाते हैं।
प्रकृति में सबसे कठोर पदार्थ
वे क्या हैं? ठोस पदार्थों का घनत्व काफी हद तक उनकी कठोरता को निर्धारित करता है। हाल के वर्षों में, वैज्ञानिकों ने कई सामग्रियों की खोज की है जो "सबसे टिकाऊ शरीर" होने का दावा करती हैं। सबसे कठोर पदार्थ फुलेराइट (फुलरीन अणुओं वाला एक क्रिस्टल) है, जो हीरे की तुलना में लगभग 1.5 गुना कठिन है। दुर्भाग्य से, यह वर्तमान में बहुत ही कम मात्रा में उपलब्ध है।
आज, उद्योग में भविष्य में उपयोग किया जाने वाला सबसे कठोर पदार्थ लोंसडेलाइट (हेक्सागोनल हीरा) है। यह हीरे से 58 फीसदी सख्त होता है। लोंसडेलाइट कार्बन का एक एलोट्रोपिक संशोधन है। इसकी क्रिस्टल जाली बहुत हद तक हीरे के समान है। एक लोंसडेलाइट कोशिका में 4 परमाणु होते हैं, जबकि एक हीरे में 8 होते हैं। व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले क्रिस्टल में से, हीरा आज भी सबसे कठिन है।
