અમારા પહેલાના અભ્યાસ પરથી, આપણે જાણીએ છીએ કે પ્રવાહી અને વાયુઓને તેમની વહેવાની ક્ષમતાને કારણે પ્રવાહી કહેવામાં આવે છે. આ બંને અવસ્થાઓમાં પ્રવાહીપણું એ હકીકતને કારણે છે કે અણુઓ મુક્ત રીતે ફરતા હોય છે. તેનાથી વિપરીત, ઘન પદાર્થોમાં રહેલા ઘટક કણોની સ્થિતિ નિશ્ચિત હોય છે અને તેઓ ફક્ત તેમની સરેરાશ સ્થિતિની આસપાસ ઓસિલેટ કરી શકે છે. આ ઘન પદાર્થોની કઠોરતા સમજાવે છે. આ ગુણધર્મો ઘટક કણોની પ્રકૃતિ અને તેમની વચ્ચે કાર્યરત બંધનકારી દળો પર આધારિત છે. રચના અને ગુણધર્મો વચ્ચેનો સંબંધ ઇચ્છિત ગુણધર્મો ધરાવતા નવા ઘન પદાર્થોની શોધમાં મદદ કરે છે. ઉદાહરણ તરીકે, કાર્બન નેનોટ્યુબ્સ એવા નવા પદાર્થો છે જેમાં સ્ટીલ કરતાં મજબૂત, એલ્યુમિનિયમ કરતાં હલકા અને તાંબા કરતાં વધુ વાહકતા ધરાવતા પદાર્થ પૂરા પાડવાની સંભાવના છે. આવા પદાર્થો ભવિષ્યમાં વિજ્ઞાન અને સમાજના વિકાસમાં વિસ્તૃત ભૂમિકા ભજવી શકે છે. કેટલાક અન્ય પદાર્થો જે ભવિષ્યમાં મહત્વની ભૂમિકા ભજવશે તે છે ઉચ્ચ તાપમાન સુપરકન્ડક્ટર, ચુંબકીય પદાર્થો, પેકેજિંગ માટે બાયોડિગ્રેડેબલ પોલિમર, સર્જિકલ ઇમ્પ્લાન્ટ માટે બાયોકમ્પ્લાયન્ટ ઘન પદાર્થો, વગેરે. આમ, વર્તમાન પરિસ્થિતિમાં આ અવસ્થાનો અભ્યાસ વધુ મહત્વપૂર્ણ બની જાય છે.

આ એકમમાં, આપણે કણોની વિવિધ સંભવિત ગોઠવણીઓની ચર્ચા કરીશું જેના પરિણામે અનેક પ્રકારની રચનાઓ બને છે અને શોધી કાઢીશું કે રચનાત્મક એકમોની વિવિધ ગોઠવણીઓ ઘન પદાર્થોને વિવિધ ગુણધર્મો કેમ આપે છે. આપણે એ પણ શીખીશું કે રચનાત્મક અપૂર્ણતાઓ અથવા સૂક્ષ્મ માત્રામાં અશુદ્ધિઓની હાજરીને કારણે આ ગુણધર્મો કેવી રીતે સુધારાય છે.

1.1 ઘન અવસ્થાના સામાન્ય લક્ષણો

કક્ષા XI માં તમે શીખ્યા છો કે પદાર્થ ત્રણ અવસ્થાઓમાં અસ્તિત્વ ધરાવી શકે છે, એટલે કે, ઘન, પ્રવાહી અને વાયુ. તાપમાન અને દબાણની આપેલી પરિસ્થિતિઓ હેઠળ, આમાંથી કઈ અવસ્થા આપેલા પદાર્થની સૌથી સ્થિર અવસ્થા હશે તે બે વિરોધી પરિબળોના ચોખ્ખા અસર પર આધારિત છે. આ છે આંતરઅણુક દળો જે અણુઓ (અથવા પરમાણુઓ અથવા આયનો) ને નજીક રાખવાનું વલણ ધરાવે છે, અને થર્મલ ઊર્જા, જે તેમને ઝડપથી ફેરવીને અલગ રાખવાનું વલણ ધરાવે છે. પૂરતા નીચા તાપમાને, થર્મલ ઊર્જા ઓછી હોય છે અને આંતરઅણુક દળો તેમને એટલા નજીક લાવે છે કે તેઓ એકબીજા સાથે ચોંટી જાય છે અને નિશ્ચિત સ્થાનો ધરાવે છે. તેઓ હજુ પણ તેમની સરેરાશ સ્થિતિની આસપાસ ઓસિલેટ કરી શકે છે અને પદાર્થ ઘન અવસ્થામાં અસ્તિત્વ ધરાવે છે.

ઘન અવસ્થાના નીચેના લાક્ષણિક ગુણધર્મો છે:

• (i) તેમનો નિશ્ચિત દળ, કદ અને આકાર હોય છે.
• (ii) આંતરઅણુક અંતર ટૂંકા હોય છે.
• (iii) આંતરઅણુક દળો મજબૂત હોય છે.
• (iv) તેમના ઘટક કણો (પરમાણુઓ, અણુઓ અથવા આયનો) ની સ્થિતિ નિશ્ચિત હોય છે અને ફક્ત તેમની સરેરાશ સ્થિતિની આસપાસ ઓસિલેટ કરી શકે છે.
• (v) તેઓ અસંકોચનીય અને કઠોર હોય છે.

1.2 અસ્ફટિક અને સ્ફટિકીય ઘન પદાર્થો

ઘન પદાર્થોને તેમના ઘટક કણોની ગોઠવણીમાં હાજર વ્યવસ્થાની પ્રકૃતિના આધારે સ્ફટિકીય અથવા અસ્ફટિક તરીકે વર્ગીકૃત કરી શકાય છે. સ્ફટિકીય ઘન પદાર્થ સામાન્ય રીતે મોટી સંખ્યામાં નાના સ્ફટિકો ધરાવે છે, જેમાંથી દરેકનો નિશ્ચિત લાક્ષણિક ભૌમિતિક આકાર હોય છે. સ્ફટિકમાં ઘટક કણો (પરમાણુઓ, અણુઓ અથવા આયનો) ની ગોઠવણી ત્રણ પરિમાણોમાં ક્રમબદ્ધ અને પુનરાવર્તિત હોય છે. જો આપણે સ્ફટિકના એક પ્રદેશમાં પેટર્ન જોઈએ, તો આપણે સ્ફટિકના અન્ય કોઈપણ પ્રદેશમાં કણોની સ્થિતિની ચોક્કસ રીતે આગાહી કરી શકીએ છીએ, ભલે તે નિરીક્ષણના સ્થળથી કેટલા દૂર હોય. આમ, સ્ફટિકમાં લાંબી શ્રેણીનો ક્રમ હોય છે જેનો અર્થ છે કે ત્યાં કણોની ગોઠવણીનો નિયમિત પેટર્ન હોય છે જે સમગ્ર સ્ફટિક પર સમયાંતરે પોતાની પુનરાવર્તિત કરે છે. સોડિયમ ક્લોરાઇડ અને ક્વાર્ટઝ સ્ફટિકીય ઘન પદાર્થોના લાક્ષણિક ઉદાહરણો છે. કાચ, રબર અને ઘણા પ્લાસ્ટિક સ્ફટિક બનાવતા નથી જ્યારે તેમના પ્રવાહી ઠંડા થવાથી ઘન થાય છે. તેમને અસ્ફટિક ઘન પદાર્થો કહેવામાં આવે છે. અસ્ફટિક શબ્દ ગ્રીક શબ્દ એમોર્ફોસ પરથી આવ્યો છે, જેનો અર્થ કોઈ આકાર નથી. આવા ઘન પદાર્થમાં ઘટક કણો (પરમાણુઓ, અણુઓ અથવા આયનો) ની ગોઠવણીમાં ફક્ત ટૂંકી શ્રેણીનો ક્રમ હોય છે. આવી ગોઠવણીમાં, ફક્ત ટૂંકા અંતર પર જ નિયમિત અને સમયાંતરે પુનરાવર્તિત પેટર્ન જોવા મળે છે. નિયમિત પેટર્ન વેરવિખેર હોય છે અને વચ્ચેની ગોઠવણી અવ્યવસ્થિત હોય છે. ક્વાર્ટઝ (સ્ફટિકીય) અને ક્વાર્ટઝ કાચ (અસ્ફટિક) ની રચના અનુક્રમે ફિગ. 1.1 (a) અને (b) માં બતાવવામાં આવી છે.

જ્યારે બંને રચનાઓ લગભગ સમાન છે, ત્યારે પણ અસ્ફટિક ક્વાર્ટઝ કાચના કિસ્સામાં કોઈ લાંબી શ્રેણીનો ક્રમ નથી. અસ્ફટિક ઘન પદાર્થોની રચના પ્રવાહી જેવી જ હોય છે. ઘટક કણોની ગોઠવણીમાં તફાવતને કારણે, બંને પ્રકારના ઘન પદાર્થો તેમના ગુણધર્મોમાં અલગ પડે છે.

સ્ફટિકીય ઘન પદાર્થોનું ગલનબિંદુ તીક્ષ્ણ હોય છે. લાક્ષણિક તાપમાને તેઓ અચાનક ઓગળી જાય છે અને પ્રવાહી બની જાય છે. બીજી બાજુ, અસ્ફટિક ઘન પદાર્થો નરમ થાય છે, ઓગળે છે અને તાપમાનની શ્રેણી પર વહેવાનું શરૂ કરે છે અને વિવિધ આકારોમાં ઢાળી અને ફૂંકી શકાય છે. અસ્ફટિક ઘન પદાર્થોમાં પ્રવાહી જેવી જ રચનાત્મક વિશેષતાઓ હોય છે અને તેમને અત્યંત સ્નિગ્ધ પ્રવાહી તરીકે સરળતાથી ગણી શકાય. તેઓ કેટલાક તાપમાને સ્ફટિકીય બની શકે છે. પ્રાચીન સંસ્કૃતિઓના કેટલાક કાચના પદાર્થો કેટલાક સ્ફટિકીકરણને કારણે દૂધિયા દેખાવમાં આવે છે. પ્રવાહીની જેમ, અસ્ફટિક ઘન પદાર્થોમાં વહેવાની વૃત્તિ હોય છે, જોકે ખૂબ ધીમેથી. તેથી, કેટલીકવાર તેમને સ્યુડો ઘન પદાર્થો અથવા સુપર કૂલ્ડ પ્રવાહી કહેવામાં આવે છે.

અસ્ફટિક ઘન પદાર્થો સમદિશી પ્રકૃતિના હોય છે. તેમના ગુણધર્મો જેમ કે યાંત્રિક શક્તિ, વક્રીભવનાંક અને વિદ્યુત વાહકતા, વગેરે, બધી દિશામાં સમાન હોય છે. આ એટલા માટે કે તેમાં કોઈ લાંબી શ્રેણીનો ક્રમ નથી અને કણોની ગોઠવણી બધી દિશાઓ સાથે નિશ્ચિત નથી. તેથી, એકંદર ગોઠવણી બધી દિશામાં સમકક્ષ બને છે. તેથી, કોઈપણ ભૌતિક ગુણધર્મનું મૂલ્ય કોઈપણ દિશા સાથે સમાન હશે.

સ્ફટિકીય ઘન પદાર્થો અનિસોટ્રોપિક પ્રકૃતિના હોય છે, એટલે કે, તેમના કેટલાક ભૌતિક ગુણધર્મો જેમ કે વિદ્યુત પ્રતિકાર અથવા વક્રીભવનાંક જ્યારે સમાન સ્ફટિકોમાં વિવિધ દિશાઓ સાથે માપવામાં આવે ત્યારે વિવિધ મૂલ્યો બતાવે છે. આ વિવિધ દિશાઓમાં કણોની વિવિધ ગોઠવણી પરથી ઉદ્ભવે છે. આ ફિગ. 1.2 માં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. આ આકૃતિ બે પ્રકારના પરમાણુઓની ગોઠવણીનો એક સરળ બે-પરિમાણીય પેટર્ન બતાવે છે. યાંત્રિક ગુણધર્મ જેમ કે કાતરણી તણાવનો પ્રતિકાર આકૃતિમાં દર્શાવેલ બે દિશાઓમાં તદ્દન અલગ હોઈ શકે છે. CD દિશામાં વિકૃતિ તે પંક્તિને વિસ્થાપિત કરે છે જેમાં બે વિવિધ પ્રકારના પરમાણુઓ હોય છે જ્યારે AB દિશામાં એક પ્રકારના પરમાણુઓથી બનેલી પંક્તિઓ વિસ્થાપિત થાય છે. સ્ફટિકીય ઘન પદાર્થો અને અસ્ફટિક ઘન પદાર્થો વચ્ચેના તફાવતો કોષ્ટક 1.1 માં સારાંશ આપવામાં આવ્યા છે.

સ્ફટિકીય અને અસ્ફટિક ઘન પદાર્થો ઉપરાંત, કેટલાક ઘન પદાર્થો છે જે દેખીતી રીતે અસ્ફટિક દેખાય છે પરંતુ માઇક્રોસ્ફટિકલાઇન રચનાઓ ધરાવે છે. તેમને પોલીક્રિસ્ટલાઇન ઘન પદાર્થો કહેવામાં આવે છે. ધાતુઓ ઘણીવાર પોલીક્રિસ્ટલાઇન સ્થિતિમાં આવે છે. વ્યક્તિગત સ્ફટિકો રેન્ડમલી ઓરિએન્ટેડ હોય છે તેથી ધાતુનો નમૂનો સમદિશી દેખાઈ શકે છે ભલે એક સ્ફટિક અનિસોટ્રોપિક હોય.

1.3 સ્ફટિકીય ઘન પદાર્થોનું વર્ગીકરણ

વિભાગ 1.2 માં, આપણે અસ્ફટિક પદાર્થો વિશે શીખ્યા છીએ અને તેમનો ફક્ત ટૂંકી શ્રેણીનો ક્રમ હોય છે. જો કે, મોટાભાગના ઘન પદાર્થો પ્રકૃતિમાં સ્ફટિકીય હોય છે. ઉદાહરણ તરીકે, બધી ધાતુ તત્વો જેવા કે આયર્ન, કોપર અને સિલ્વર; અધાતુ તત્વો જેવા કે સલ્ફર, ફોસ્ફરસ અને આયોડિન અને સંયોજનો જેવા કે સોડિયમ ક્લોરાઇડ, ઝિંક સલ્ફાઇડ અને નેફ્થલીન સ્ફટિકીય ઘન પદાર્થો બનાવે છે.

સ્ફટિકીય ઘન પદાર્થોને વિવિધ રીતે વર્ગીકૃત કરી શકાય છે. પદ્ધતિ હાથમાં હેતુ પર આધારિત છે. અહીં, આપણે આંતરઅણુક દળો અથવા બંધનોની પ્રકૃતિના આધારે સ્ફટિકીય ઘન પદાર્થોનું વર્ગીકરણ કરીશું જે ઘટક કણોને એકસાથે રાખે છે. આ છે — (i) વાન ડેર વાલ્સ દળો; (ii) આયનિક બંધનો; (iii) સહસંયોજક બંધનો; અને (iv) ધાત્વીય બંધનો. આ આધાર પર, સ્ફટિકીય ઘન પદાર્થોને ચાર શ્રેણીઓમાં વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે, એટલે કે, આણ્વીય, આયનિક, ધાત્વીય અને સહસંયોજક ઘન પદાર્થો. ચાલો હવે આ શ્રેણીઓ વિશે શીખીએ.

1.3.1 આણ્વીય ઘન પદાર્થો

અણુઓ આણ્વીય ઘન પદાર્થોના ઘટક કણો છે. આને આગળ નીચેની શ્રેણીઓમાં વિભાજિત કરવામાં આવ્યા છે:

(i) અધ્રુવીય આણ્વીય ઘન પદાર્થો: તેમાં કાં તો પરમાણુઓ હોય છે, ઉદાહરણ તરીકે, આર્ગોન અને હીલિયમ અથવા અધ્રુવીય સહસંયોજક બંધનો દ્વારા રચાયેલા અણુઓ, ઉદાહરણ તરીકે, H2, Cl2 અને I2. આ ઘન પદાર્થોમાં, પરમાણુઓ અથવા અણુઓ નબળા વિખરાવ દળો અથવા લંડન દળો દ્વારા રાખવામાં આવે છે જેના વિશે તમે કક્ષા XI માં શીખ્યા છો. આ ઘન પદાર્થો નરમ હોય છે અને વિદ્યુતના અવાહક હોય છે. તેમનું ગલનબિંદુ ઓછું હોય છે અને સામાન્ય રીતે ઓરડાના તાપમાન અને દબાણે પ્રવાહી અથવા વાયુ અવસ્થામાં હોય છે.

(ii) ધ્રુવીય આણ્વીય ઘન પદાર્થો: HCl, SO2, વગેરે જેવા પદાર્થોના અણુઓ ધ્રુવીય સહસંયોજક બંધનો દ્વારા રચાય છે. આવા ઘન પદાર્થોમાં અણુઓ પ્રમાણમાં મજબૂત ડાયપોલ-ડાયપોલ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ દ્વારા એકસાથે રાખવામાં આવે છે. આ ઘન પદાર્થો નરમ હોય છે અને વિદ્યુતના અવાહક હોય છે. તેમનું ગલનબિંદુ અધ્રુવીય આણ્વીય ઘન પદાર્થો કરતાં વધુ હોય છે, છતાં આમાંથી મોટાભાગના ઓરડાના તાપમાન અને દબાણે વાયુ અથવા પ્રવાહી હોય છે. ઘન SO2 અને ઘન NH3 આવા ઘન પદાર્થોના કેટલાક ઉદાહરણો છે.

(iii) હાઇડ્રોજન બંધિત આણ્વીય ઘન પદાર્થો: આવા ઘન પદાર્થોના અણુઓમાં H અને F, O અથવા N પરમાણુઓ વચ્ચે ધ્રુવીય સહસંયોજક બંધનો હોય છે. મજબૂત હાઇડ્રોજન બંધન H2O (બરફ) જેવા ઘન પદાર્થોના અણુઓને બાંધે છે. તેઓ વિદ્યુતના અવાહક હોય છે. સામાન્ય રીતે તેઓ ઓરડાના તાપમાન અને દબાણે વિસર્પી પ્રવાહી અથવા નરમ ઘન પદાર્થો હોય છે.

1.3.2 આયનિક ઘન પદાર્થો

આયનિક ઘન પદાર્થોના ઘટક કણો આયનો છે. આવા ઘન પદાર્થો કેશન અને એનાયનની ત્રિ-પરિમાણીય ગોઠવણી દ્વારા રચાય છે જે મજબૂત કુલોમ્બિક (ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક) દળો દ્વારા બંધાયેલા હોય છે. આ ઘન પદાર્થો પ્રકૃતિમાં કઠોર અને ભંગુર હોય છે. તેમનું ગલનબિંદુ અને ઉત્કલનબિંદુ ઊંચું હોય છે. કારણ કે આયનો ફરવા માટે મુક્ત નથી, તેઓ ઘન અવસ્થામાં વિદ્યુતના અવાહક હોય છે. જો કે, પીગળેલી અવસ્થામાં અથવા પાણીમાં ઓગળ્યા પછી, આયનો ફરવા માટે મુક્ત થાય છે અને તેઓ વિદ્યુત વહન કરે છે.

1.3.3 ધાત્વીય ઘન પદાર્થો

ધાતુઓ મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનના સમુદ્ર દ્વારા ઘેરાયેલા અને એકસાથે રાખવામાં આવેલા સકારાત્મક આયનોનો ક્રમબદ્ધ સંગ્રહ છે. આ ઇલેક્ટ્રોન મોબાઇલ હોય છે અને સમગ્ર સ્ફટિકમાં સમાન રીતે ફેલાયેલા હોય છે. દરેક ધાતુ પરમાણુ આ મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનના સમુદ્ર તરફ એક અથવા વધુ ઇલેક્ટ્રોન ફાળો આપે છે. આ મુક્ત અને મોબાઇલ ઇલેક્ટ્રોન ધાતુઓની ઉચ્ચ વિદ્યુત અને ઉષ્મા વાહકતા માટે જવાબદાર છે. જ્યારે ઇલેક્ટ્રિક ફીલ્ડ લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે આ ઇલેક્ટ્રોન સકારાત્મક આયનોના નેટવર્ક દ્વારા વહે છે. તે જ રીતે, જ્યારે ધાતુના એક ભાગમાં ઉષ્મા પૂરી પાડવામાં આવે છે, ત્યારે થર્મલ ઊર્જા મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા સમગ્ર ભાગમાં સમાન રીતે ફેલાય છે. ધાતુઓની બીજી મહત્વપૂર્ણ લાક્ષણિકતા તેમની ચમક અને કેટલાક કિસ્સાઓમાં રંગ છે. આ તેમમાં મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનની હાજરીને કારણે પણ છે. ધાતુઓ ખૂબ જ ધાતુપત્રકીય અને તન્ય હોય છે.

1.3.4 સહસંયોજક અથવા નેટવર્ક ઘન પદાર્થો

અધાતુઓના સ્ફટિકીય ઘન પદાર્થોની વિશાળ વિવિધતા સમગ્ર સ્ફટિકમાં સંલગ્ન પરમાણુઓ વચ્ચે સહસંયોજક બંધનોની રચના પરથી પરિણમે છે. તેમને વિશાળ અણુઓ પણ કહેવામાં આવે છે. સહસંયોજક બંધનો પ્રકૃતિમાં મજબૂત અને દિશાત્મક હોય છે, તેથી પરમાણુઓ તેમની સ્થિતિ પર ખૂબ જ મજબૂત રીતે રાખવામાં આવે છે. આવા ઘન પદાર્થો ખૂબ જ કઠોર અને ભંગુર હોય છે. તેમનું ગલન