ठोस अवस्था: परिभाषा, गुण, अनाकार और क्रिस्टलीय ठोस

ठोस पदार्थ ऐसे पदार्थ होते हैं जिनकी एक निश्चित मात्रा, आकार और उच्च घनत्व की विशेषता होती है। ठोस अवस्था में, गठित कणों को विभिन्न तरीकों से व्यवस्थित किया जाता है। ठोस अवस्था, सरल तरीके से, का अर्थ है "कोई हिलता हुआ भाग नहीं (no moving parts)"। इस प्रकार सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस (solid state electronic devices) ठोस घटकों से बने होते हैं जो अपनी स्थिति नहीं बदलते हैं। ठोस पदार्थ की वह अवस्था है, जिसमें संघटक कण एक-दूसरे के निकट स्थित होते हैं। घटक कण या तो परमाणु, अणु या आयन हो सकते हैं।

विषयसूची

महत्वपूर्ण पद: ठोस, परमाणु , क्रिस्टलीय या अनाकार ठोस, ठोस अवस्था , इकाई कोशिका।

ठोस के गुण

ठोसों का द्रव्यमान, आयतन और आकार निश्चित होता है।
वे संकुचित और कठोर हैं।
अंतर-आणविक दूरियां बहुत कम होती हैं, इस प्रकार वे अधिक मजबूत होती हैं।
उनके अवयवी कणों को एक ही स्थान पर रखा जाता है और वे केवल अपनी माध्य स्थिति में ही दोलन कर सकते हैं।

ठोस के प्रकार - अनाकार और क्रिस्टलीय ठोस

ठोस को उनके अवयवी कणों की व्यवस्था में मौजूद क्रम की प्रकृति के आधार पर क्रिस्टलीय या अनाकार के रूप में दो प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है।

अनाकार ठोस सुपर कूल तरल (supercooled liquid) पदार्थों के समान व्यवहार करते हैं क्योंकि घटक कणों को शॉर्ट-रेंज (short-range) क्रम में व्यवस्थित किया जाता है। ये समदैशिक होते हैं और इनका कोई तीक्ष्ण गलनांक नहीं होता है।

अनाकार ठोस की मुख्य विशेषताएं:

अनाकार ठोस का नियमित आकार नहीं होता है।
उनके पास शॉर्ट-रेंज ऑर्डर हैं।
वे तापमान की व्यवस्था पर धीरे-धीरे नरम हो जाते हैं।
वे समदैशिक हैं और उनकी भौतिक विशेषताएं सभी दिशाओं में समान रहती हैं।
जब उन्हें एक तेज धार वाले उपकरण से काटा जाता है, तो उन्हें अनियमित सतह वाले छोटे टुकड़ों में विभाजित किया जाता है।
उनके पास संलयन की कोई निश्चित गर्मी नहीं है।
उन्हें छद्म ठोस या सुपर कूल्ड तरल पदार्थ भी कहा जाता है क्योंकि वे बहुत धीमी गति से प्रवाहित होते हैं।

क्रिस्टलीय ठोसों का एक निश्चित आकार होता है और इसमें अवयवी कणों को एक लंबी दूरी के क्रम में व्यवस्थित किया जाता है।

क्रिस्टलीय ठोस की कुछ प्रमुख विशेषताएं हैं-

क्रिस्टलीय ठोसों में निश्चित ज्यामितीय आकृतियाँ होती हैं।
उनके पास लंबी दूरी का ऑर्डर (long-range order) है।
उनके पास एक तेज गलनांक है।
वे अनिसोट्रोपिक (anisotropic) हैं। उनके भौतिक गुण एक ही क्रिस्टल में अलग-अलग दिशाओं से मापने पर विभिन्न मूल्यों का प्रतिनिधित्व करते हैं।
उनके पास संलयन की एक निश्चित गर्मी है।
क्रिस्टलीय में वास्तविक ठोस होते हैं।
जब क्रिस्टलीय ठोस को नुकीले औजार से काटा जाता है, तो वे दो टुकड़ों में बंट जाते हैं। नव निर्मित सतहें समतल और चिकनी हैं।बहुरूपी रूप

किसी पदार्थ के विभिन्न क्रिस्टलीय रूपों को बहुरूपी रूप कहा जाता है। इसके कुछ उदाहरणों में ग्रेफाइट और हीरा शामिल हैं।

क्रिस्टलीय ठोस का वर्गीकरण

क्रिस्टलीय ठोसों का वर्गीकरण उनके गुण के अनुसार किया जाता है। ठोस का क्रिस्टलीय गुण संघटक कणों के बीच परस्पर क्रिया की प्रकृति पर निर्भर करता है, और इस प्रकार इन ठोसों को चार अलग-अलग श्रेणियों में विभाजित किया जाता है:

आयनिक ठोस
सहसंयोजक या नेटवर्क ठोस
आण्विक ठोस
धात्विक ठोस

(1) आयनिक ठोस

संघटक कण आयन होते हैं।
वे कठोर और भंगुर होते हैं।
उनके उच्च गलनांक होते हैं।
ठोस अवस्था में वे विद्युत का चालन नहीं करते, जबकि गलित अवस्था में वे अच्छे चालक बन जाते हैं
उनके पास कम अस्थिरता है।
वे मुख्य रूप से पानी जैसे ध्रुवीय सॉल्वैंट्स में घुलनशील हैं।

(2) सहसंयोजक या नेटवर्क ठोस

संघटक कण परमाणु होते हैं
वे कठोर लेकिन निंदनीय और नमनीय हैं।
उनके उच्च गलनांक होते हैं।
वे बिजली या गर्मी के संचालन में खराब हैं।
कुछ उदाहरणों में SiO2, (क्वार्ट्ज), SiC, C (हीरा), C (ग्रेफाइट) शामिल हैं।

(3) आणविक ठोस

संघटक कण किसी पदार्थ के अणु होते हैं।
वे नरम हैं।
उनके पास निम्न से मध्यम-उच्च गलनांक होते हैं।
ये बिजली या गर्मी के कुचालक होते हैं

आणविक ठोस

(4) धात्विक ठोस

संघटक कण धातु के परमाणु होते हैं।
वे नमनीय और निंदनीय हैं।
उनके उच्च क्वथनांक और गलनांक होते हैं।
वे बिजली और गर्मी के अच्छे संवाहक हैं।

एकक कोष्ठिका

सबसे छोटा परमाणु समूह जिसका उपयोग पूरी जाली बनाने के लिए किया जा सकता है, एक एकक कोष्ठिका (unit cell) के रूप में जाना जाता है।

एकक कोष्ठिका के प्रकार:

आद्य या साधारण एकक कोष्ठिकाएं घटक कणों को प्रदर्शित करती हैं लेकिन केवल कोनों पर।
केंद्रित एकक कोष्ठिकाओं को उन इकाई कोशिकाओं के रूप में संदर्भित किया जा रहा है जहां कोनों पर मौजूद लोगों के अलावा एक से अधिक घटक कण स्थिति में मौजूद होते हैं।

केंद्रित एकक कोष्ठिकाओं के प्रकार

फलक-केंद्रित एकक कोष्टिका : इन कोशिकाओं में एक घटक कण होता है जो प्रत्येक चेहरे के केंद्र में मौजूद होता है और साथ ही कोनों पर मौजूद होता है।
अंतः केंद्रित एकक कोष्टिका : इन कोशिकाओं में एक घटक कण होता है जो इसके शरीर के केंद्र में मौजूद होता है और अन्य कोनों पर मौजूद होते हैं।
अंत्य-केंद्रित एकक कोष्टिका : इनमें 1 अवयवी कण किन्हीं दो विपरीत फलकों और चरम सीमाओं के केंद्र में स्थित होता है।

विभिन्न जालक पदों पर कणों की संख्या:

फलक-केंद्र : यदि कोई परमाणु चेहरे के केंद्र में मौजूद है, तो यह दो इकाई कोशिकाओं द्वारा साझा किया जाता है। तो, परमाणु का आधा भाग एकक कोष्ठिका का होता है।

अंतः केंद्र : यदि शरीर के केंद्र में एक परमाणु मौजूद है, तो यह किसी अन्य इकाई कोशिका द्वारा साझा नहीं किया जाता है। तो, उस तरह का परमाणु पूरी तरह से एक ही एकक कोष्ठिका से संबंधित है।

अंत्य-केंद्र : यदि कोई परमाणु किनारे के केंद्र पर मौजूद है, तो यह चार इकाई कोशिकाओं द्वारा साझा किया जाता है। तो, इस मामले में, परमाणु का एक चौथाई एकक कोष्ठिका के अंतर्गत आता है।

**विभिन्न एकक कोष्ठिकाओं में परमाणुओं की संख्या:**

आद्य एकक कोष्ठिकाओं में 1 परमाणु होता है।
फलक-केंद्रित एकक कोष्ठिकाओं में 3 परमाणु होते हैं।
अंतः केंद्रित एकक कोष्ठिकाओं में 2 परमाणु होते हैं।

उपसहसंयोजन संख्या: उपसहसंयोजन संख्या को निकटतम कणों की संख्या के रूप में जाना जाता है।

निविड संकुलित संरचनाए

द्विविमा में निविड संकुलन: यह निविड संकुलित गोलाकारों की पंक्तियों को वर्ग निविड संकुलन (Square Close Packing) और षट्कोणीय निविड संकुलन (Hexagonal Close Packing) सहित दो तरीकों से ढेर करके किया जाता है।

त्रिविमा में निविड संकुलन: उन्हें एक दूसरे के ऊपर दो-आयामी परतों को लोड करके प्राप्त किया जा सकता है। इसे दो तरह से प्राप्त किया जा सकता है, या तो वर्ग निविड संकुलन लेयर्स और षट्कोणीय निविड संकुलन लेयर्स द्वारा।

वर्ग निविड संकुलन: दूसरी पंक्ति के गोले पहली पंक्ति के ठीक ऊपर रखे जाते हैं। इस तरह गोले क्षैतिज और लंबवत रूप से संरेखित होते हैं और उनकी व्यवस्था AAA प्रकार की होती है। उपसहसंयोजन संख्या 4 है।

षट्कोणीय निविड संकुलन: इन क्षेत्रों को पहले वाले के ऊपर इस तरह रखा जाता है कि उनके गोले पहली पंक्ति के अवसाद में फिट हो जाते हैं।

याद रखने वाली चीज़ें

ठोस का एक निश्चित आयतन, आकार और उच्च घनत्व होता है।

ठोस दो प्रकार के होते हैं - क्रिस्टलीय ठोस और अनाकार ठोस।
क्रिस्टलीय ठोस आइसोट्रोपिक (Isotropic) होते हैं जबकि अनाकार ठोस अनिसोट्रोपिक (anisotropic) होते हैं।
किसी पदार्थ के विभिन्न क्रिस्टलीय रूपों को बहुरूपी कहा जाता है।
क्रिस्टलीय ठोस को आयनिक ठोस, सहसंयोजक या नेटवर्क ठोस, आणविक ठोस और धात्विक ठोस में वर्गीकृत किया जाता है।
सबसे छोटा परमाणु समूह जिसका उपयोग पूरी जाली बनाने के लिए किया जा सकता है, एक एकक कोष्टिका के रूप में जाना जाता है।

लेख पर आधारित प्रश्न

प्रश्न:- ठोस के कठोर आकार का क्या कारण है? (1 अंक)

उत्तर। इसका कारण यह है कि ठोस के कण निविड संकुलित होते हैं और केवल अपनी निश्चित स्थिति के बारे में ही दोलन कर सकते हैं। इन सभी गुणों के कारण ठोस कठोर हो जाते हैं।

प्रश्न:- ठोस का आयतन निश्चित होने का क्या कारण है? (1 अंक)

उत्तर। अंतर-आणविक आकर्षण बल ठोस कणों को निविड संकुलित करने का कारण है और उन्हें केवल अपने निश्चित स्थान पर दोलन करने के लिए मजबूर करता है।

प्रश्न: निम्नलिखित को अनाकार या क्रिस्टलीय ठोस के रूप में अलग करें (1 अंक)
(i) पोलीयूरीथेन (Polyurethane)
(ii) नेफ़थलीन (Naphthalene)
(iii) बेंज़ोइक एसिड (Benzoic Acid)
(iv) टेफ्लान (Teflon)
(v) पोटेशियम नाइट्रेट (Potassium Nitrate)
(vi) सिलोफ़न (Cellophane)
(vii) पोलीविनाइल क्लोराइड (Polyvinyl Chloride)
(viii)फाइबरग्लास (Fiberglass)
(ix) ताँबा (Copper)

उत्तर।

अनाकार ठोस - पॉलीयूरेथेन, टेफ्लॉन, सिलोफ़न, पॉलीविनाइल क्लोराइड, फाइबरग्लास।

क्रिस्टलीय ठोस - नेफ़थलीन, बेंजोइक एसिड, पोटेशियम नाइट्रेट, तांबा।

प्रश्न:- कांच को सुपरकूल्ड लिक्विड (supercooled liquid) के रूप में क्यों वर्गीकृत किया जाता है? (1 अंक)

उत्तर। कांच एक अनाकार ठोस है, लेकिन यह बहुत धीमी गति से बहता है। यही कारण है कि कांच को सुपरकूल्ड तरल के रूप में दर्शाया जा रहा है।

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