“હિમપતન પડે છે, પરંતુ માતૃ પૃથ્વી પર તેનો પિચ્છાભર્યો પકડ લાંબો સમય રહેતો નથી સૂર્ય તેને ભાપમાં પરત કરે છે જ્યાંથી તે આવ્યું હતું, અથવા ખડકાળ ઢોળાવ પર નીચે ગબડતા પાણીમાં.”

રોડ ઓ’ કોનોર

પરિચય

પહેલાના એકમોમાં આપણે દ્રવ્યના એક કણ સંબંધિત ગુણધર્મો વિશે શીખ્યા છીએ, જેમ કે પરમાણુકીય કદ, આયનીકરણ એન્થાલ્પી, ઇલેક્ટ્રોનિક ચાર્જ ઘનતા, આણ્વીય આકાર અને ધ્રુવીયતા, વગેરે. આપણે જેની સાથે પરિચિત છીએ તે રાસાયણિક પ્રણાલીઓની મોટાભાગની અવલોકન યોગ્ય લાક્ષણિકતાઓ દ્રવ્યના સમૂહ ગુણધર્મોનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે, એટલે કે, મોટી સંખ્યામાં પરમાણુઓ, આયનો અથવા અણુઓના સંગ્રહ સાથે સંકળાયેલા ગુણધર્મો. ઉદાહરણ તરીકે, પ્રવાહીનો એક વ્યક્તિગત અણુ ઉકળતો નથી પરંતુ સમૂહ ઉકળે છે. પાણીના અણુઓના સંગ્રહમાં ભીંજવણી ગુણધર્મો હોય છે; વ્યક્તિગત અણુઓ ભીંજવતા નથી. પાણી બરફ તરીકે અસ્તિત્વમાં રહી શકે છે, જે ઘન છે; તે પ્રવાહી તરીકે અસ્તિત્વમાં રહી શકે છે; અથવા તે વાયુ અવસ્થામાં પાણીની વરાળ અથવા વરાળ તરીકે અસ્તિત્વમાં રહી શકે છે. બરફ, પાણી અને વરાળના ભૌતિક ગુણધર્મો ખૂબ જ અલગ છે. પાણીની ત્રણેય અવસ્થાઓમાં પાણીની રાસાયણિક રચના સમાન રહે છે એટલે કે, $\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}$. પાણીની ત્રણેય અવસ્થાઓની લાક્ષણિકતાઓ અણુઓની ઊર્જા અને પાણીના અણુઓ કેવી રીતે એકત્રિત થાય છે તેના પર નિર્ભર છે. અન્ય પદાર્થો માટે પણ આ જ સાચું છે.

પદાર્થના રાસાયણિક ગુણધર્મો તેની ભૌતિક અવસ્થામાં ફેરફાર સાથે બદલાતા નથી; પરંતુ રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓનો દર ભૌતિક અવસ્થા પર નિર્ભર કરે છે. ઘણી વખત ગણતરીઓમાં પ્રયોગોના ડેટા સાથે વ્યવહાર કરતી વખતે આપણને દ્રવ્યની અવસ્થાનું જ્ઞાન જરૂરી હોય છે. તેથી, રસાયણશાસ્ત્રી માટે તે ભૌતિક નિયમો જાણવા જરૂરી બને છે જે વિવિધ અવસ્થાઓમાં દ્રવ્યના વર્તનને નિયંત્રિત કરે છે. આ એકમમાં, આપણે દ્રવ્યની આ ત્રણ ભૌતિક અવસ્થાઓ વિશે ખાસ કરીને પ્રવાહી અને વાયુ અવસ્થાઓ વિશે વધુ શીખીશું. શરૂ કરવા માટે, આંતરઅણુકીય દળો, આણ્વીય ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ અને કણોની ગતિ પર થર્મલ ઊર્જાના પ્રભાવને સમજવું જરૂરી છે કારણ કે આ વચ્ચેનું સંતુલન પદાર્થની અવસ્થા નક્કી કરે છે.

5.1 આંતરઅણુકીય દળો

આંતરઅણુકીય દળો ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતા કણો (પરમાણુઓ અને અણુઓ) વચ્ચેના આકર્ષણ અને વિકર્ષણના દળો છે. આ શબ્દમાં તે ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક દળોનો સમાવેશ થતો નથી જે બે વિરુદ્ધ ચાર્જ ધરાવતા આયનો વચ્ચે અસ્તિત્વમાં હોય છે અને જે દળો પરમાણુના પરમાણુઓને એકસાથે રાખે છે એટલે કે, સહસંયોજક બંધ.

આકર્ષક આંતરઅણુકીય દળોને વાન ડર વાલ્સ દળો તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, ડચ વૈજ્ઞાનિક જોહાન્નેસ વાન ડર વાલ્સ (1837-1923) ના સન્માનમાં, જેમણે આ દળો દ્વારા આદર્શ વર્તનથી વાસ્તવિક વાયુઓના વિચલનને સમજાવ્યું. આપણે આ એકમમાં પછી આ વિશે શીખીશું. વાન ડર વાલ્સ દળો મહત્વમાં નોંધપાત્ર રીતે બદલાય છે અને તેમાં વિખેરણ દળો અથવા લંડન દળો, દ્વિધ્રુવ-દ્વિધ્રુવ દળો અને દ્વિધ્રુવ-પ્રેરિત દ્વિધ્રુવ દળોનો સમાવેશ થાય છે. દ્વિધ્રુવ-દ્વિધ્રુવ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાનો એક ખાસ મજબૂત પ્રકાર હાઇડ્રોજન બંધ છે. ફક્ત થોડા તત્વો જ હાઇડ્રોજન બંધ નિર્માણમાં ભાગ લઈ શકે છે, તેથી તેને એક અલગ શ્રેણી તરીકે ગણવામાં આવે છે. આપણે એકમ 4 માં આ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા વિશે પહેલેથી જ શીખ્યા છીએ.

આ બિંદુએ, એ નોંધવું મહત્વપૂર્ણ છે કે આયન અને દ્વિધ્રુવ વચ્ચેના આકર્ષક દળોને આયન-દ્વિધ્રુવ દળો તરીકે ઓળખવામાં આવે છે અને આ વાન ડર વાલ્સ દળો નથી. હવે આપણે વિવિધ પ્રકારના વાન ડર વાલ્સ દળો વિશે શીખીશું.

5.1.1 વિખેરણ દળો અથવા લંડન દળો

પરમાણુઓ અને અધ્રુવીય અણુઓ વિદ્યુતીય રીતે સમપ્રમાણ હોય છે અને તેમનો કોઈ દ્વિધ્રુવીય ચાકમોમેન્ટ હોતો નથી કારણ કે તેમનો ઇલેક્ટ્રોનિક ચાર્જ વાદળ સમપ્રમાણ રીતે વિતરિત થયેલો હોય છે. પરંતુ આવા પરમાણુઓ અને અણુઓમાં પણ ક્ષણભર દ્વિધ્રુવ વિકસિત થઈ શકે છે. આ નીચે પ્રમાણે સમજી શકાય છે. ધારો કે આપણી પાસે બે પરમાણુઓ ‘$A$’ અને ‘$B$’ એકબીજાની નજીક નજીક છે (ફિગ. 5.1a). એવું બની શકે છે કે ક્ષણભરમાં એક પરમાણુમાં, કહો ‘$A$’, ઇલેક્ટ્રોનિક ચાર્જ વિતરણ અસમપ્રમાણ બને છે એટલે કે, ચાર્જ વાદળ એક બાજુથી વધુ અને બીજી બાજુથી ઓછું હોય છે (ફિગ. $5.1 \mathrm{~b}$ અને c). આના પરિણામે પરમાણુ ‘A’ પર ખૂબ જ ટૂંકા સમય માટે તાત્કાલિક દ્વિધ્રુવ વિકસિત થાય છે. આ તાત્કાલિક અથવા ક્ષણિક દ્વિધ્રુવ પરમાણુ ‘$\mathrm{B}$’ ની ઇલેક્ટ્રોન ઘનતાને વિકૃત કરે છે, જે તેની નજીક છે અને પરિણામે પરમાણુ ‘B’ માં દ્વિધ્રુવ પ્રેરિત થાય છે.

પરમાણુ ‘$\mathrm{A}$’ અને ‘$\mathrm{B}$’ ના અસ્થાયી દ્વિધ્રુવો એકબીજાને આકર્ષે છે. તે જ રીતે અણુઓમાં પણ અસ્થાયી દ્વિધ્રુવો પ્રેરિત થાય છે. આ આકર્ષણ બળ પ્રથમ જર્મન ભૌતિકશાસ્ત્રી ફ્રિટ્ઝ લંડન દ્વારા સૂચવવામાં આવ્યું હતું, અને આ કારણોસર બે અસ્થાયી દ્વિધ્રુવો વચ્ચેના આકર્ષણ બળને લંડન બળ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. આ બળ માટેનું બીજું નામ વિખેરણ બળ છે. આ દળો હંમેશા આકર્ષક હોય છે અને ક્રિયાપ્રતિક્રિયા ઊર્જા બે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતા કણો વચ્ચેના અંતરના છઠ્ઠા ઘાત સાથે વ્યસ્ત પ્રમાણસર હોય છે (એટલે કે, $1 / r^{6}$ જ્યાં $r$ બે કણો વચ્ચેનું અંતર છે). આ દળો ફક્ત ટૂંકા અંતરે (500 pm) મહત્વપૂર્ણ છે અને તેમની તીવ્રતા કણની ધ્રુવીયક્ષમતા પર નિર્ભર કરે છે.

5.1.2 દ્વિધ્રુવ - દ્વિધ્રુવ દળો

દ્વિધ્રુવ-દ્વિધ્રુવ દળો કાયમી દ્વિધ્રુવ ધરાવતા અણુઓ વચ્ચે કાર્ય કરે છે. દ્વિધ્રુવોના છેડા “આંશિક ચાર્જ” ધરાવે છે અને આ ચાર્જ ગ્રીક અક્ષર ડેલ્ટા ($\delta$) દ્વારા દર્શાવવામાં આવે છે. આંશિક ચાર્જ હંમેશા એકમ ઇલેક્ટ્રોનિક ચાર્જ $\left(1.610^{-19} \mathrm{C}\right)$ કરતા ઓછા હોય છે. ધ્રુવીય અણુઓ પડોશી અણુઓ સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે. ફિગ 5.2 (a) હાઇડ્રોજન ક્લોરાઇડના દ્વિધ્રુવમાં ઇલેક્ટ્રોન વાદળ વિતરણ દર્શાવે છે અને ફિગ. 5.2 (b) બે $\mathrm{HCl}$ અણુઓ વચ્ચે દ્વિધ્રુવ-દ્વિધ્રુવ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા દર્શાવે છે. આ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા લંડન દળો કરતા મજબૂત છે પરંતુ આયન-આયન ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતા નબળી છે કારણ કે ફક્ત આંશિક ચાર્જ સામેલ છે. દ્વિધ્રુવો વચ્ચેના અંતરમાં વધારો સાથે આકર્ષક બળ ઘટે છે. ઉપરોક્ત કિસ્સામાં અહીં પણ, ક્રિયાપ્રતિક્રિયા ઊર્જા ધ્રુવીય અણુઓ વચ્ચેના અંતર સાથે વ્યસ્ત પ્રમાણસર હોય છે. સ્થિર ધ્રુવીય અણુઓ (જેમ કે ઘન પદાર્થોમાં) વચ્ચેની દ્વિધ્રુવ-દ્વિધ્રુવ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા ઊર્જા $1 / r^{3}$ ના પ્રમાણસર હોય છે અને ફરતા ધ્રુવીય અણુઓ વચ્ચેની ઊર્જા

$1 / r^{6}$ ના પ્રમાણસર હોય છે, જ્યાં $r$ ધ્રુવીય અણુઓ વચ્ચેનું અંતર છે. દ્વિધ્રુવ-દ્વિધ્રુવ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા ઉપરાંત, ધ્રુવીય અણુઓ લંડન દળો દ્વારા પણ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરી શકે છે. આમ સંચિત અસર એ છે કે ધ્રુવીય અણુઓમાં આંતરઅણુકીય દળોનો કુલ સરવાળો વધે છે.

5.1.3 દ્વિધ્રુવ–પ્રેરિત દ્વિધ્રુવ દળો

આ પ્રકારના આકર્ષક દળો કાયમી દ્વિધ્રુવ ધરાવતા ધ્રુવીય અણુઓ અને કાયમી દ્વિધ્રુવ વિનાના અણુઓ વચ્ચે કાર્ય કરે છે. ધ્રુવીય અણુના કાયમી દ્વિધ્રુવ તેના ઇલેક્ટ્રોનિક વાદળને વિકૃત કરીને (ફિગ. 5.3) વિદ્યુતીય રીતે તટસ્થ અણુ પર દ્વિધ્રુવ પ્રેરિત કરે છે. આમ બીજા અણુમાં પ્રેરિત દ્વિધ્રુવ વિકસિત થાય છે. આ કિસ્સામાં પણ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા ઊર્જા $1 / r^{6}$ ના પ્રમાણસર હોય છે જ્યાં $r$ બે અણુઓ વચ્ચેનું અંતર છે. પ્રેરિત દ્વિધ્રુવીય ચાકમોમેન્ટ કાયમી દ્વિધ્રુવમાં હાજર દ્વિધ્રુવીય ચાકમોમેન્ટ અને વિદ્યુતીય રીતે તટસ્થ અણુની ધ્રુવીયક્ષમતા પર નિર્ભર કરે છે. આપણે એકમ 4 માં પહેલેથી જ શીખ્યા છીએ કે મોટા કદના અણુઓ સરળતાથી ધ્રુવીકૃત થઈ શકે છે. ઉચ્ચ ધ્રુવીયક્ષમતા આકર્ષક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓની તાકાત વધારે છે.

આ કિસ્સામાં પણ વિખેરણ દળો અને દ્વિધ્રુવ-પ્રેરિત દ્વિધ્રુવ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓની સંચિત અસર અસ્તિત્વમાં છે.

5.1.4 હાઇડ્રોજન બંધ

જેમ કે વિભાગ (5.1) માં પહેલેથી જ ઉલ્લેખ કર્યો છે; આ દ્વિધ્રુવ-દ્વિધ્રુવ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાનો ખાસ કિસ્સો છે. આપણે એકમ 4 માં આ વિશે પહેલેથી જ શીખ્યા છીએ. આ એવા અણુઓમાં જોવા મળે છે જેમાં અત્યંત ધ્રુવીય $\mathrm{N}-\mathrm{H}, \mathrm{O}-\mathrm{H}$ અથવા $\mathrm{H}-\mathrm{F}$ બંધ હાજર હોય છે. જોકે હાઇડ્રોજન બંધને N, O અને F સુધી મર્યાદિત ગણવામાં આવે છે; પરંતુ Cl જેવી સ્પીસીઝ પણ હાઇડ્રોજન બંધમાં ભાગ લઈ શકે છે. હાઇડ્રોજન બંધની ઊર્જા 10 થી 100 $\mathrm{kJ} \mathrm{mol}^{-1}$ વચ્ચે બદલાય છે. આ એકદમ નોંધપાત્ર માત્રામાં ઊર્જા છે; તેથી, હાઇડ્રોજન બંધો ઘણા સંયોજનોની રચના અને ગુણધર્મો નક્કી કરવામાં શક્તિશાળી બળ છે, ઉદાહરણ તરીકે પ્રોટીન અને ન્યુક્લિક એસિડ. હાઇડ્રોજન બંધની તાકાત એક અણુના ઇલેક્ટ્રોનેગેટિવ પરમાણુના એકલ જોડી ઇલેક્ટ્રોન અને બીજા અણુના હાઇડ્રોજન પરમાણુ વચ્ચેના કુલંબ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. નીચેનો આકૃતિ હાઇડ્રોજન બંધની રચના દર્શાવે છે.

$$ \stackrel{\delta+}{\mathrm{H}}-\stackrel{\delta-}{\mathrm{F}} \cdots \stackrel{\delta+}{\mathrm{H}}-\stackrel{\delta-}{\mathrm{F}} $$

અત્યાર સુધી ચર્ચા કરેલ આંતરઅણુકીય દળો બધા આકર્ષક છે. અણુઓ એકબીજા પર વિકર્ષક દળો પણ લાગુ કરે છે. જ્યારે બે અણુઓને એકબીજાના નજીક સંપર્કમાં લાવવામાં આવે છે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન વાદળો વચ્ચેનું વિકર્ષણ અને બે અણુઓના ન્યુક્લિય વચ્ચેનું વિકર્ષણ કાર્યરત થાય છે. અણુઓને અલગ કરતા અંતરમાં ઘટાડો થતાં વિકર્ષણની તીવ્રતા ખૂબ જ ઝડપથી વધે છે. આ જ કારણ છે કે પ્રવાહી અને ઘન પદાર્થોને સંકુચિત કરવા મુશ્કેલ છે. આ અવસ્થાઓમાં અણુઓ પહેલેથી જ નજીકના સંપર્કમાં છે; તેથી તેઓ વધુ સંકોચનનો વિરોધ કરે છે; કારણ કે તેના પરિણામે વિકર્ષક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓમાં વધારો થશે.

5.2 થર્મલ ઊર્જા

થર્મલ ઊર્જા એ શરીરની ઊર્જા છે જે તેના પરમાણુઓ અથવા અણુઓની ગતિમાંથી ઉદ્ભવે છે. તે પદાર્થના તાપમાનના સીધા પ્રમાણમાં હોય છે. તે દ્રવ્યના કણોની સરેરાશ ગતિ ઊર્જાનું માપ છે અને આમ કણોની હિલચાલ માટે જવાબદાર છે. કણોની આ હિલચાલને થર્મલ ગતિ કહેવામાં આવે છે.

5.3 આંતરઅણુકીય દળો vs થર્મલ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ

આપણે પહેલેથી જ શીખ્યા છીએ કે આંતરઅણુકીય દળો અણુઓને એકસાથે રાખવાનું કારણ બને છે પરંતુ અણુઓની થર્મલ ઊર્જા તેમને અલગ રાખવાનું કારણ બને છે. દ્રવ્યની ત્રણ અવસ્થાઓ આંતરઅણુકીય દળો અને અણુઓની થર્મલ ઊર્જા વચ્ચેના સંતુલનનું પરિણામ છે.

જ્યારે આણ્વીય ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ ખૂબ જ નબળી હોય છે, ત્યારે અણુઓ તાપમાન ઘટાડીને થર્મલ ઊર્જા ઘટાડ્યા સિવાય પ્રવાહી અથવા ઘન બનાવવા માટે એકસાથે ચોંટી રહેતા નથી. વાયુઓ ફક્ત સંકોચન પર પ્રવાહીમાં ફેરવાતા નથી, જોકે અણુઓ એકબીજાની ખૂબ નજીક આવે છે અને આંતરઅણુકીય દળો મહત્તમ સુધી કાર્યરત થાય છે. જો કે, જ્યારે તાપમાન ઘટાડીને અણુઓની થર્મલ ઊર્જા ઘટાડવામાં આવે છે; વાયુઓ ખૂબ જ સરળતાથી પ્રવાહીમાં ફેરવી શકાય છે. ત્રણ અવસ્થાઓમાં પદાર્થની થર્મલ ઊર્જા અને આણ્વીય ક્રિયાપ્રતિક્રિયા ઊર્જાની પ્રબળતા નીચે પ્રમાણે દર્શાવવામાં આવી છે:

આપણે પહેલેથી જ દ્રવ્યની ત્રણ અવસ્થાઓના અસ્તિત્વનું કારણ શીખ્યા છીએ. હવે આપણે વાયુ અને પ્રવાહી અવસ્થાઓ વિશે અને તે નિયમો વિશે વધુ શીખીશું જે આ અવસ્થાઓમાં દ્રવ્યના વર્તનને નિયંત્રિત કરે છે. આપણે ધોરણ XII માં ઘન અવસ્થા સાથે વ્યવહાર કરીશું.

5.4 વાયુ અવસ્થા

આ દ્રવ્યની સૌથી સરળ અવસ્થા છે. આપણા આખા જીવન દરમિયાન આપણે હવાના સમુદ્રમાં ડૂબેલા રહીએ છીએ જે વાયુઓનું મિશ્રણ છે. આપણે વાતાવરણની સૌથી નીચલી સ્તરમાં જીવન વિતાવીએ છીએ જેને ટ્રોપોસ્ફિયર કહેવામાં આવે છે, જે ગુરુત્વાકર્ષણ બળ દ્વારા પૃથ્વીની સપાટી સાથે જોડાયેલી છે. વાતાવરણની પાતળી સ્તર આપણા જીવન માટે મહત્વપૂર્ણ છે. તે આપણને હાનિકારક કિરણોત્સર્ગથી રક્ષણ આપે છે અને તેમાં ડાયઑક્સિજન, ડાયનાઇટ્રોજન, કાર્બન ડાયોક્સાઇડ, પાણીની વરાળ વગેરે જેવા પદાર્થો હોય છે.

ચાલો હવે આપણું ધ્યાન તે પદાર્થોના વર્તન પર કેન્દ્રિત કરીએ જે સામાન્ય તાપમાન અને દબાણની સ્થિતિમાં વાયુ અવસ્થામાં અસ્તિત્વમાં છે. આવર્ત કોષ્ટક પર એક નજર દર્શાવે છે કે ફક્ત અગિયાર તત્વો

સામાન્ય સ્થિતિમાં વાયુ તરીકે અસ્તિત્વમાં છે (ફિગ 5.4).

વાયુ અવસ્થા નીચેના ભૌતિક ગુણધર્મો દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે.

• વાયુઓ ખૂબ જ સંકોચનીય હોય છે.
• વાયુઓ બધી દિશામાં સમાન રીતે દબાણ લાગુ કરે છે.
• વાયુઓની ઘન