“మంచు పొర కురిసినా, ఎక్కువసేపు భూమి మీద పడి ఉండదు సూర్యుడు తిరిగి వచ్చేసరికి ఆవిరిగా మారిపోతుంది, లేదా రాతి ఏటిలో కిందికి పడే నీటిగా మారుతుంది.”

రాడ్ ఓ’ కాన్నర్

పరిచయం

మునుపటి యూనిట్లలో మనం పరమాణు పరిమాణం, అయనీకరణ ఎంథాల్పి, ఎలక్ట్రానిక్ చార్జ్ సాంద్రత, అణువు ఆకారం మరియు ధ్రువణత వంటి పదార్థం యొక్క ఒకే కణానికి సంబంధించిన లక్షణాలను నేర్చుకున్నాము. మనకు తెలిసిన రసాయన వ్యవస్థల యొక్క చాలా వరకు గమనించదగిన లక్షణాలు పదార్థం యొక్క స్థూల లక్షణాలను సూచిస్తాయి, అనగా, పెద్ద సంఖ్యలో అణువులు, అయాన్లు లేదా అణువుల సముదాయంతో సంబంధం ఉన్న లక్షణాలు. ఉదాహరణకు, ఒక ద్రవం యొక్క వ్యక్తిగత అణువు మరుగుతుంది కానీ స్థూలంగా మరుగుతుంది. నీటి అణువుల సముదాయానికి తడుపు లక్షణాలు ఉంటాయి; వ్యక్తిగత అణువులు తడపవు. నీరు మంచుగా, ఇది ఘనపదార్థం; అది ద్రవంగా ఉండవచ్చు; లేదా అది నీటి ఆవిరి లేదా ఉక్కిరిబిక్కిరి గా వాయు స్థితిలో ఉండవచ్చు. మంచు, నీరు మరియు ఉక్కిరిబిక్కిరి యొక్క భౌతిక లక్షణాలు చాలా భిన్నంగా ఉంటాయి. నీటి మూడు స్థితులలోనూ నీటి రసాయన కూర్పు అలాగే ఉంటుంది అనగా, $\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}$. నీటి మూడు స్థితుల యొక్క లక్షణాలు అణువుల శక్తులు మరియు నీటి అణువులు ఎలా సమూహంగా చేరాయి అనే దానిపై ఆధారపడి ఉంటాయి. ఇతర పదార్థాలకు కూడా ఇదే నిజం.

ఒక పదార్థం యొక్క రసాయన లక్షణాలు దాని భౌతిక స్థితి మార్పుతో మారవు; కానీ రసాయన ప్రతిచర్యల రేటు భౌతిక స్థితిపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ప్రయోగాల డేటాను నిర్వహించేటప్పుడు లెక్కలలో చాలా సార్లు మనకు పదార్థం యొక్క స్థితి పట్ల జ్ఞానం అవసరం. అందువల్ల, వివిధ స్థితులలో పదార్థం యొక్క ప్రవర్తనను నియంత్రించే భౌతిక నియమాలను రసాయన శాస్త్రవేత్తకు తెలుసుకోవడం అవసరం అవుతుంది. ఈ యూనిట్లో, మనం ఈ మూడు భౌతిక స్థితుల గురించి మరింతగా నేర్చుకుంటాము, ప్రత్యేకించి ద్రవ మరియు వాయు స్థితులు. ప్రారంభించడానికి, అంతర్అణు బలాలు, అణు పరస్పర చర్యలు మరియు కణాల చలనంపై ఉష్ణ శక్తి ప్రభావాన్ని అర్థం చేసుకోవడం అవసరం ఎందుకంటే వీటి మధ్య సమతుల్యత ఒక పదార్థం యొక్క స్థితిని నిర్ణయిస్తుంది.

5.1 అంతర్అణు బలాలు

అంతర్అణు బలాలు అనేవి పరస్పర చర్య జరిపే కణాల (పరమాణువులు మరియు అణువులు) మధ్య ఆకర్షణ మరియు వికర్షణ బలాలు. ఈ పదం రెండు వ్యతిరేక ఆవేశాలు ఉన్న అయాన్ల మధ్య ఉన్న స్థిరవిద్యుత్ బలాలు మరియు ఒక అణువు యొక్క పరమాణువులను కలిపి ఉంచే బలాలు అనగా, సమయోజనీయ బంధాలను కలిగి ఉండదు.

ఆకర్షక అంతర్అణు బలాలను వాన్ డెర్ వాల్స్ బలాలు అని పిలుస్తారు, డచ్ శాస్త్రవేత్త జోహాన్నెస్ వాన్ డెర్ వాల్స్ (1837-1923) గౌరవార్థం, ఈ బలాల ద్వారా వాస్తవ వాయువుల ఆదర్శ ప్రవర్తన నుండి విచలనాన్ని వివరించాడు. దీని గురించి మనం ఈ యూనిట్లో తర్వాత నేర్చుకుంటాము. వాన్ డెర్ వాల్స్ బలాలు పరిమాణంలో గణనీయంగా మారుతూ ఉంటాయి మరియు విక్షేపణ బలాలు లేదా లండన్ బలాలు, ద్విధ్రువ-ద్విధ్రువ బలాలు మరియు ద్విధ్రువ-ప్రేరిత ద్విధ్రువ బలాలను కలిగి ఉంటాయి. హైడ్రోజన్ బంధం అనేది ద్విధ్రువ-ద్విధ్రువ పరస్పర చర్య యొక్క ప్రత్యేకంగా బలమైన రకం. కొన్ని మూలకాలు మాత్రమే హైడ్రోజన్ బంధం ఏర్పాటులో పాల్గొనగలవు, అందువల్ల ఇది ప్రత్యేక వర్గంగా పరిగణించబడుతుంది. యూనిట్ 4లో ఈ పరస్పర చర్య గురించి మనం ఇప్పటికే నేర్చుకున్నాము.

ఈ సమయంలో, ఒక అయాన్ మరియు ద్విధ్రువ మధ్య ఆకర్షక బలాలను అయాన్-ద్విధ్రువ బలాలు అని పిలుస్తారు మరియు ఇవి వాన్ డెర్ వాల్స్ బలాలు కావు అని గమనించడం ముఖ్యం. ఇప్పుడు మనం వివిధ రకాల వాన్ డెర్ వాల్స్ బలాల గురించి నేర్చుకుంటాము.

5.1.1 విక్షేపణ బలాలు లేదా లండన్ బలాలు

పరమాణువులు మరియు అధ్రువ అణువులు విద్యుత్ సౌష్ఠవంతో ఉంటాయి మరియు వాటి ఎలక్ట్రానిక్ చార్జ్ మేఘం సౌష్ఠవంగా పంపిణీ చేయబడినందున వాటికి ద్విధ్రువ భ్రామకం ఉండదు. కానీ అటువంటి పరమాణువులు మరియు అణువులలో కూడా క్షణికంగా ద్విధ్రువం అభివృద్ధి చెందవచ్చు. దీనిని ఈ క్రింది విధంగా అర్థం చేసుకోవచ్చు. మన దగ్గర రెండు పరమాణువులు ‘$A$’ మరియు ‘$B$’ ఒకదానికొకటి సమీపంలో ఉన్నాయని అనుకుందాం (Fig. 5.1a). ఇది

ఏదో ఒక పరమాణువులో, ‘$A$’ అని చెప్పండి, క్షణికంగా ఎలక్ట్రానిక్ చార్జ్ పంపిణీ అసౌష్ఠవంగా మారుతుంది అనగా, చార్జ్ మేఘం ఒక వైపు మరొక వైపు కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది (Fig. $5.1 \mathrm{~b}$ మరియు c). ఇది పరమాణువు ‘A’ పై చాలా తక్కువ సమయం పాటు తక్షణ ద్విధ్రువం అభివృద్ధికి దారి తీస్తుంది. ఈ తక్షణ లేదా అస్థిర ద్విధ్రువం దానికి దగ్గరగా ఉన్న ఇతర పరమాణువు ‘$\mathrm{B}$’ యొక్క ఎలక్ట్రాన్ సాంద్రతను వక్రీకరిస్తుంది మరియు దీని ఫలితంగా పరమాణువు ‘B’లో ద్విధ్రువం ప్రేరేపించబడుతుంది.

పరమాణువు ‘$\mathrm{A}$’ మరియు ‘$\mathrm{B}$’ యొక్క తాత్కాలిక ద్విధ్రువాలు ఒకదానికొకటి ఆకర్షిస్తాయి. అలాగే అణువులలో కూడా తాత్కాలిక ద్విధ్రువాలు ప్రేరేపించబడతాయి. ఈ ఆకర్షణ బలాన్ని మొదట జర్మన్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త ఫ్రిట్జ్ లండన్ ప్రతిపాదించారు, మరియు ఈ కారణంగా రెండు తాత్కాలిక

ద్విధ్రువాల మధ్య ఆకర్షణ బలాన్ని లండన్ బలం అని పిలుస్తారు. ఈ బలానికి మరొక పేరు విక్షేపణ బలం. ఈ బలాలు ఎల్లప్పుడూ ఆకర్షకంగా ఉంటాయి మరియు పరస్పర చర్య శక్తి రెండు పరస్పర చర్య జరిపే కణాల మధ్య దూరం యొక్క ఆరవ ఘాతానికి విలోమానుపాతంలో ఉంటుంది (అనగా, $1 / r^{6}$ ఇక్కడ $r$ అనేది రెండు కణాల మధ్య దూరం). ఈ బలాలు చిన్న దూరాల వద్ద మాత్రమే ముఖ్యమైనవి (500 pm కంటే తక్కువ) మరియు వాటి పరిమాణం కణం యొక్క ధ్రువణీయతపై ఆధారపడి ఉంటుంది.

5.1.2 ద్విధ్రువ - ద్విధ్రువ బలాలు

ద్విధ్రువ-ద్విధ్రువ బలాలు శాశ్వత ద్విధ్రువాన్ని కలిగి ఉన్న అణువుల మధ్య పనిచేస్తాయి. ద్విధ్రువాల చివరలు “పాక్షిక ఆవేశాలు"ను కలిగి ఉంటాయి మరియు ఈ ఆవేశాలను గ్రీకు అక్షరం డెల్టా ($\delta$) ద్వారా చూపిస్తారు. పాక్షిక ఆవేశాలు ఎల్లప్పుడూ యూనిట్ ఎలక్ట్రానిక్ చార్జ్ $\left(1.610^{-19} \mathrm{C}\right)$ కంటే తక్కువగా ఉంటాయి. ధ్రువ అణువులు పొరుగు అణువులతో పరస్పర చర్య జరుపుతాయి. Fig 5.2 (a) హైడ్రోజన్ క్లోరైడ్ ద్విధ్రువంలో ఎలక్ట్రాన్ మేఘం పంపిణీని చూపుతుంది మరియు Fig. 5.2 (b) రెండు $\mathrm{HCl}$ అణువుల మధ్య ద్విధ్రువ-ద్విధ్రువ పరస్పర చర్యను చూపుతుంది. ఈ పరస్పర చర్య లండన్ బలాల కంటే బలంగా ఉంటుంది కానీ అయాన్-అయాన్ పరస్పర చర్య కంటే బలహీనంగా ఉంటుంది ఎందుకంటే పాక్షిక ఆవేశాలు మాత్రమే పాల్గొంటాయి. ద్విధ్రువాల మధ్య దూరం పెరిగేకొద్దీ ఆకర్షణ బలం తగ్గుతుంది. పై సందర్భంలో వలె ఇక్కడ కూడా, పరస్పర చర్య శక్తి ధ్రువ అణువుల మధ్య దూరానికి విలోమానుపాతంలో ఉంటుంది. స్థిరమైన ధ్రువ అణువుల మధ్య ద్విధ్రువ-ద్విధ్రువ పరస్పర చర్య శక్తి (ఘనపదార్థాలలో వలె) $1 / r^{3}$ కు అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది మరియు తిరిగే ధ్రువ అణువుల మధ్య

$1 / r^{6}$ కు అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది, ఇక్కడ $r$ అనేది ధ్రువ అణువుల మధ్య దూరం. ద్విధ్రువ-ద్విధ్రువ పరస్పర చర్యతో పాటు, ధ్రువ అణువులు లండన్ బలాల ద్వారా కూడా పరస్పర చర్య జరపగలవు. అందువల్ల సంచిత ప్రభావం ఏమిటంటే, ధ్రువ అణువులలో అంతర్అణు బలాల మొత్తం పెరుగుతుంది.

5.1.3 ద్విధ్రువ–ప్రేరిత ద్విధ్రువ బలాలు

ఈ రకమైన ఆకర్షక బలాలు శాశ్వత ద్విధ్రువాన్ని కలిగి ఉన్న ధ్రువ అణువులు మరియు శాశ్వత ద్విధ్రువం లేని అణువుల మధ్య పనిచేస్తాయి. ధ్రువ అణువు యొక్క శాశ్వత ద్విధ్రువం దాని ఎలక్ట్రానిక్ మేఘాన్ని వక్రీకరించడం ద్వారా విద్యుత్ తటస్థ అణువుపై ద్విధ్రువాన్ని ప్రేరేపిస్తుంది (Fig. 5.3). అందువలన ఇతర అణువులో ప్రేరిత ద్విధ్రువం అభివృద్ధి చెందుతుంది. ఈ సందర్భంలో కూడా పరస్పర చర్య శక్తి $1 / r^{6}$ కు అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది, ఇక్కడ $r$ అనేది రెండు అణువుల మధ్య దూరం. ప్రేరిత ద్విధ్రువ భ్రామకం శాశ్వత ద్విధ్రువంలో ఉన్న ద్విధ్రువ భ్రామకం మరియు విద్యుత్ తటస్థ అణువు యొక్క ధ్రువణీయతపై ఆధారపడి ఉంటుంది. పెద్ద పరిమాణం గల అణువులు సులభంగా ధ్రువణం చెందుతాయని మనం ఇప్పటికే యూనిట్ 4లో నేర్చుకున్నాము. అధిక ధ్రువణీయత ఆకర్షక పరస్పర చర్యల బలాన్ని పెంచుతుంది.

ఈ సందర్భంలో కూడా విక్షేపణ బలాలు మరియు ద్విధ్రువ-ప్రేరిత ద్విధ్రువ పరస్పర చర్యల సంచిత ప్రభావం ఉంది.

5.1.4 హైడ్రోజన్ బంధం

ఇప్పటికే విభాగం (5.1)లో చెప్పినట్లుగా; ఇది ద్విధ్రువ-ద్విధ్రువ పరస్పర చర్య యొక్క ప్రత్యేక సందర్భం. దీని గురించి మనం ఇప్పటికే యూనిట్ 4లో నేర్చుకున్నాము. ఇది అత్యంత ధ్రువ $\mathrm{N}-\mathrm{H}, \mathrm{O}-\mathrm{H}$ లేదా $\mathrm{H}-\mathrm{F}$ బంధాలు ఉన్న అణువులలో కనిపిస్తుంది. హైడ్రోజన్ బంధం N, O మరియు Fకి పరిమితం చేయబడినట్లుగా పరిగణించబడినప్పటికీ; క్లోరిన్ వంటి జాతులు కూడా హైడ్రోజన్ బంధంలో పాల్గొనవచ్చు. హైడ్రోజన్ బంధం యొక్క శక్తి 10 నుండి 100 $\mathrm{kJ} \mathrm{mol}^{-1}$ మధ్య మారుతూ ఉంటుంది. ఇది చాలా గణనీయమైన శక్తి; అందువల్ల, హైడ్రోజన్ బంధాలు అనేక సమ్మేళనాల నిర్మాణం మరియు లక్షణాలను నిర్ణయించడంలో శక్తివంతమైన బలం, ఉదాహరణకు ప్రోటీన్లు మరియు న్యూక్లిక్ ఆమ్లాలు. హైడ్రోజన్ బంధం యొక్క బలం ఒక అణువు యొక్క విద్యుదృణ పరమాణువు యొక్క ఒంటరి జత ఎలక్ట్రాన్లు మరియు ఇతర అణువు యొక్క హైడ్రోజన్ పరమాణువు మధ్య కూలంబ్ పరస్పర చర్య ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది. హైడ్రోజన్ బంధం ఏర్పాటును క్రింది రేఖాచిత్రం చూపుతుంది.

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

ఇప్పటివరకు చర్చించిన అంతర్అణు బలాలు అన్నీ ఆకర్షకంగా ఉంటాయి. అణువులు ఒకదానిపై ఒకటి వికర్షణ బలాలను కూడా ప్రయోగిస్తాయి. రెండు అణువులు ఒకదానితో ఒకటి దగ్గరి సంప్రదింపులోకి తీసుకువచ్చినప్పుడు, ఎలక్ట్రాన్ మేఘాల మధ్య వికర్షణ మరియు రెండు అణువుల కేంద్రకాల మధ్య వికర్షణ పనిచేయడం ప్రారంభిస్తుంది. అణువులను వేరు చేసే దూరం తగ్గేకొద్దీ వికర్షణ యొక్క పరిమాణం చాలా వేగంగా పెరుగుతుంది. ద్రవాలు మరియు ఘనపదార్థాలు కుదించడం కష్టం అనేది ఇదే కారణం. ఈ స్థితులలో అణువులు ఇప్పటికే దగ్గరి సంప్రదింపులో ఉన్నాయి; అందువల్ల అవి మరింత కుదింపును వ్యతిరేకిస్తాయి; ఎందుకంటే అది వికర్షక పరస్పర చర్యల పెరుగుదలకు దారి తీస్తుంది.

5.2 ఉష్ణ శక్తి

ఉష్ణ శక్తి అనేది దాని పరమాణువులు లేదా అణువుల చలనం వల్ల శరీరానికి ఉండే శక్తి. ఇది పదార్థం యొక్క ఉష్ణోగ్రతకు నేరుగా అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది. ఇది పదార్థం కణాల సగటు గతి శక్తి యొక్క కొలత మరియు అందువలన కణాల కదలికకు కారణమవుతుంది. కణాల యొక్క ఈ కదలికను ఉష్ణ చలనం అంటారు.

5.3 అంతర్అణు బలాలు vs ఉష్ణ పరస్పర చర్యలు

అంతర్అణు బలాలు అణువులను కలిపి ఉంచడానికి ప్రయత్నిస్తాయి కానీ అణువుల ఉష్ణ శక్తి వాటిని వేరు చేయడానికి ప్రయత్నిస్తుందని మనం ఇప్పటికే నేర్చుకున్నాము. పదార్థం యొక్క మూడు స్థితులు అంతర్అణు బలాలు మరియు అణువుల ఉష్ణ శక్తి మధ్య సమతుల్యత ఫలితంగా ఉంటాయి.

అణు పరస్పర చర్యలు చాలా బలహీనంగా ఉన్నప్పుడు, ఉష్ణోగ్రతను తగ్గించడం ద్వారా ఉష్ణ శక్తి తగ్గించబడనంత వరకు అణువులు ద్రవం లేదా ఘనపదార్థం చేయడానికి ఒకదానితో ఒకటి అతుక్కోవు. వాయువులు కుదింపు ద్వారా మాత్రమే ద్రవీకరించబడవు, అయినప్పటికీ అణువులు ఒకదానికొకటి చాలా దగ్గరగా వస్తాయి మరియు అంతర్అణు బలాలు గరిష్టంగా పనిచేస్తాయి. అయితే, ఉష్ణోగ్రతను తగ్గించడం ద్వారా అణువుల ఉష్ణ శక్తి తగ్గించబడినప్పుడు; వాయువులను చాలా సులభంగా ద్రవీకరించవచ్చు. మూడు స్థితులలో ఒక పదార్థం యొక్క ఉష్ణ శక్తి మరియు అణు పరస్పర చర్య శక్తి యొక్క ఆధిక్యం క్రింది విధంగా వర్ణించబడింది:

పదార్థం యొక్క మూడు స్థితుల ఉనికికి కారణం మనం ఇప్పటికే నేర్చుకున్నాము. ఇప్పుడు మనం వాయు మరియు ద్రవ స్థితుల గురించి మరియు ఈ స్థితులలో పదార్థం యొక్క ప్రవర్తనను నియంత్రించే నియమాల గురించి మరింతగా నేర్చుకుంటాము. ఘన స్థితిని మనం క్లాస్ XIIలో చర్చిస్తాము.

5.4 వాయు స్థితి

ఇది పదార్థం యొక్క సరళమైన స్థితి. మన జీవితం అంతటా మనం గాలి యొక్క సముద్రంలో మునిగి ఉంటాము, ఇది వాయువుల మిశ్రమం. గురుత్వాకర్షణ శక్తి ద్వారా భూమి ఉపరితలానికి బంధించబడిన ట్రోపోస్పియర్ అని పిలువబడే వాతావరణం యొక్క అత్యంత దిగువ పొరలో మనం మన జీవితాన్ని గడుపుతాము. వాతావరణం యొక్క సన్నని పొర మన జీవితానికి చాలా ముఖ్యమైనది. ఇది హానికరమైన వికిరణాల నుండి మనల్ని రక్షిస్తుంది మరియు డైఆక్సిజన్, డైనైట్రోజన్, కార్బన్ డైఆక్సైడ్, నీటి ఆవిరి మొదలైన పదార్థాలను కలిగి ఉంటుంది.

ఇప్పుడు మన దృష్టిని సాధారణ ఉష్ణోగ్రత మరియు పీడన పరిస్థితులలో వాయు స్థితిలో ఉన్న పదార్థాల ప్రవర్తనపై కేంద్రీకరిద్దాం. ఆవర్తన పట్టికను చూడటం వల్ల పదకొండు మూలకాలు మాత్రమే

సాధారణ పరిస్థితులలో వాయువులుగా ఉన్నాయి (Fig 5.4).

వాయు స్థితి క్రింది భౌతిక లక్షణాల ద్వారా వర్గీకరించబడుతుంది.

• వాయువులు అత్యంత కుదించదగినవి.
• వాయువులు అన్ని దిశలలో సమానంగా పీడనాన్ని ప్రయోగిస్తాయి.
• వాయువులు ఘనపదార్థాలు మరియు ద్రవాల కంటే చాలా తక్కువ సాంద్రతను కలిగి ఉంటాయి.
• వాయువుల పరిమాణం మరియు ఆకారం స్థిరంగా ఉండవు. ఇవి కంటైనర్ యొక్క పరిమాణం మరియు ఆకారాన్ని తీసుకుంటాయి.
• వాయువులు ఏదైనా యాంత్రిక సహాయం లేకుండా అన్ని నిష్పత్తులలో సమానంగా మరియు పూర్తిగా కలిసిపోతాయి.

వాయువుల సరళత వాటి అణువుల మధ్య పరస్పర చర్య బలాలు నగణ్యమైనవి అనే వాస్తవానికి కారణం. వాటి ప్రవర్తన అదే సాధారణ నియమాల ద్వారా పాలించబడుతుంది, ఇవి వాటి ప్రయోగాత్మక అధ్యయనాల ఫలితంగా కనుగొనబడ్డాయి. ఈ నియమాలు వాయువుల కొలవదగిన లక్షణాల మధ్య సంబంధాలు. ఈ వేరియబుల్స్లో కొన్ని పీడనం, పరిమాణం, ఉష్ణోగ్రత మరియు ద్రవ్యరాశి చాలా ముఖ్యమైనవి ఎందుకంటే ఈ వేరియబుల్స్ మధ్య పరస్పరాశ్రయం వాయువు యొక్క స్థితిని వివరిస్త