మన పూర్వ అధ్యయనాల నుండి, ద్రవాలు మరియు వాయువులు ప్రవహించే సామర్థ్యం కారణంగా ప్రవాహాలు (fluids) అని పిలువబడతాయని మనకు తెలుసు. ఈ రెండు స్థితులలోనూ ఉన్న ప్రవాహత (fluidity) అణువులు స్వేచ్ఛగా కదలగల స్వభావం వలన ఏర్పడుతుంది. దీనికి విరుద్ధంగా, ఘనపదార్థాలలోని అంతర్భాగ కణాలు స్థిర స్థానాలను కలిగి ఉంటాయి మరియు వాటి సగటు స్థానాల చుట్టూ మాత్రమే డోలనం చేయగలవు. ఇది ఘనపదార్థాలలోని దృఢత్వాన్ని వివరిస్తుంది. ఈ లక్షణాలు అంతర్భాగ కణాల స్వభావం మరియు వాటి మధ్య పనిచేసే బంధన శక్తులపై ఆధారపడి ఉంటాయి. నిర్మాణం మరియు లక్షణాల మధ్య సంబంధం కావలసిన లక్షణాలు కలిగిన కొత్త ఘన పదార్థాల ఆవిష్కరణలో సహాయపడుతుంది. ఉదాహరణకు, కార్బన్ నానోట్యూబ్లు కొత్త పదార్థాలు, ఇవి ఉక్కు కంటే గట్టిగా, అల్యూమినియం కంటే తేలికగా మరియు రాగి కంటే ఎక్కువ వాహక లక్షణం కలిగిన పదార్థాన్ని అందించే సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉన్నాయి. ఇటువంటి పదార్థాలు భవిష్యత్తులో విజ్ఞానం మరియు సమాజ అభివృద్ధిలో విస్తరించిన పాత్ర పోషించవచ్చు. భవిష్యత్తులో ముఖ్యమైన పాత్ర పోషించే అనుకునే మరికొన్ని పదార్థాలు అధిక ఉష్ణోగ్రత సూపర్ కండక్టర్లు, అయస్కాంత పదార్థాలు, ప్యాకేజింగ్ కోసం బయోడిగ్రేడబుల్ పాలిమర్లు, శస్త్రచికిత్స ఇంప్లాంట్ల కోసం బయోకంప్లయంట్ ఘనపదార్థాలు మొదలైనవి. అందువల్ల, ఈ స్థితి యొక్క అధ్యయనం ప్రస్తుత దృశ్యంలో మరింత ముఖ్యమైనది.

ఈ యూనిట్లో, మనం కణాల వివిధ సాధ్యమైన అమరికలను చర్చిస్తాము, ఇవి అనేక రకాల నిర్మాణాలకు దారితీస్తాయి మరియు నిర్మాణాత్మక యూనిట్ల విభిన్న అమరికలు ఘనపదార్థాలకు విభిన్న లక్షణాలను ఎందుకు ఇస్తాయో అన్వేషిస్తాము. నిర్మాణాత్మక అసంపూర్ణతలు లేదా సూక్ష్మ పరిమాణాలలో మలినాల ఉనికి వలన ఈ లక్షణాలు ఎలా మార్పు చెందుతాయో కూడా మనం నేర్చుకుంటాము.

1.1 ఘన స్థితి యొక్క సాధారణ లక్షణాలు

క్లాస్ XI లో మీరు పదార్థం ఘన, ద్రవ మరియు వాయువు అనే మూడు స్థితుల్లో ఉండగలదని నేర్చుకున్నారు. ఉష్ణోగ్రత మరియు పీడనం యొక్క ఇచ్చిన సమితి పరిస్థితుల్లో, ఇవిలో ఏది ఇచ్చిన పదార్థం యొక్క అత్యంత స్థిరమైన స్థితి అవుతుందో అనేది రెండు వ్యతిరేక కారకాల నికర ప్రభావంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ఇవి అంతర-అణుశక్తులు, ఇవి అణువులను (లేదా పరమాణువులు లేదా అయాన్లు) దగ్గరగా ఉంచే ప్రవృత్తి కలిగి ఉంటాయి మరియు ఉష్ణ శక్తి, ఇది వాటిని వేగంగా కదిలించడం ద్వారా వేరుగా ఉంచే ప్రవృత్తి కలిగి ఉంటుంది. తగినంత తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద, ఉష్ణ శక్తి తక్కువగా ఉంటుంది మరియు అంతర-అణుశక్తులు వాటిని చాలా దగ్గరగా తీసుకువస్తాయి, అవి ఒకదానితో ఒకటి అతుక్కుపోతాయి మరియు స్థిర స్థానాలను ఆక్రమిస్తాయి. ఇవి ఇప్పటికీ వాటి సగటు స్థానాల చుట్టూ డోలనం చేయగలవు మరియు పదార్థం ఘన స్థితిలో ఉంటుంది.

ఘన స్థితి యొక్క లక్షణ లక్షణాలు ఈ క్రింది విధంగా ఉన్నాయి:

• (i) వాటికి నిర్దిష్ట ద్రవ్యరాశి, ఘనపరిమాణం మరియు ఆకారం ఉంటాయి.
• (ii) అంతర-అణు దూరాలు చిన్నవి.
• (iii) అంతర-అణు శక్తులు బలంగా ఉంటాయి.
• (iv) వాటి అంతర్భాగ కణాలు (పరమాణువులు, అణువులు లేదా అయాన్లు) స్థిర స్థానాలను కలిగి ఉంటాయి
• మరియు వాటి సగటు స్థానాల చుట్టూ మాత్రమే డోలనం చేయగలవు.
• (v) అవి సంపీడనానికి లోనుకానివి మరియు దృఢంగా ఉంటాయి.

1.2 అస్ఫటిక మరియు స్ఫటిక ఘనపదార్థాలు

ఘనపదార్థాలను వాటి అంతర్భాగ కణాల అమరికలో ఉన్న క్రమం యొక్క స్వభావం ఆధారంగా స్ఫటిక లేదా అస్ఫటికంగా వర్గీకరించవచ్చు. ఒక స్ఫటిక ఘనపదార్థం సాధారణంగా పెద్ద సంఖ్యలో చిన్న స్ఫటికాలను కలిగి ఉంటుంది, వాటిలో ప్రతి ఒక్కటి నిర్దిష్ట లక్షణ రేఖాగణిత ఆకారాన్ని కలిగి ఉంటుంది. స్ఫటికంలో అంతర్భాగ కణాల (పరమాణువులు, అణువులు లేదా అయాన్లు) అమరిక మూడు కోణాలలో క్రమబద్ధంగా మరియు పునరావృతమవుతుంది. స్ఫటికం యొక్క ఒక ప్రాంతంలో నమూనాను మనం గమనిస్తే, స్ఫటికం యొక్క ఏ ఇతర ప్రాంతంలోనైనా కణాల స్థానాన్ని ఖచ్చితంగా అంచనా వేయగలము, అవి గమన స్థలం నుండి ఎంత దూరంలో ఉన్నా సరే. అందువలన, స్ఫటికానికి దీర్ఘ-పరిధి క్రమం ఉంటుంది, అంటే కణాల అమరిక యొక్క ఒక సాధారణ నమూనా ఉంటుంది, ఇది మొత్తం స్ఫటికం మీద ఆవర్తనంగా పునరావృతమవుతుంది. సోడియం క్లోరైడ్ మరియు క్వార్ట్జ్ స్ఫటిక ఘనపదార్థాల సాధారణ ఉదాహరణలు. గాజు, రబ్బర్ మరియు అనేక ప్లాస్టిక్లు వాటి ద్రవాలు చల్లబరుస్తున్నప్పుడు ఘనీభవించినప్పుడు స్ఫటికాలను ఏర్పరచవు. ఇవి అస్ఫటిక ఘనపదార్థాలు అని పిలువబడతాయి. అస్ఫటిక (amorphous) అనే పదం గ్రీకు పదం అమోర్ఫోస్ నుండి వచ్చింది, దీని అర్థం రూపం లేదు. అటువంటి ఘనపదార్థంలో అంతర్భాగ కణాల (పరమాణువులు, అణువులు లేదా అయాన్లు) అమరికకు చిన్న-పరిధి క్రమం మాత్రమే ఉంటుంది. అటువంటి అమరికలో, ఒక సాధారణ మరియు ఆవర్తనంగా పునరావృతమయ్యే నమూనా చిన్న దూరాలలో మాత్రమే గమనించబడుతుంది. సాధారణ నమూనాలు చెల్లాచెదురుగా ఉంటాయి మరియు మధ్యలో అమరిక క్రమరహితంగా ఉంటుంది. క్వార్ట్జ్ (స్ఫటిక) మరియు క్వార్ట్జ్ గాజు (అస్ఫటిక) నిర్మాణాలు వరుసగా Fig. 1.1 (a) మరియు (b) లో చూపబడ్డాయి.

ఈ రెండు నిర్మాణాలు దాదాపు ఒకేలా ఉన్నప్పటికీ, అస్ఫటిక క్వార్ట్జ్ గాజు విషయంలో దీర్ఘ-పరిధి క్రమం ఉండదు. అస్ఫటిక ఘనపదార్థాల నిర్మాణం ద్రవాల నిర్మాణాన్ని పోలి ఉంటుంది. అంతర్భాగ కణాల అమరికలోని తేడాల కారణంగా, ఈ రెండు రకాల ఘనపదార్థాలు వాటి లక్షణాలలో భిన్నంగా ఉంటాయి.

స్ఫటిక ఘనపదార్థాలకు పదునైన ద్రవీభవన స్థానం ఉంటుంది. ఒక లక్షణ ఉష్ణోగ్రత వద్ద అవి అకస్మాత్తుగా కరిగి ద్రవంగా మారతాయి. మరోవైపు, అస్ఫటిక ఘనపదార్థాలు మెత్తబడతాయి, కరిగి, ఉష్ణోగ్రత పరిధిలో ప్రవహించడం ప్రారంభిస్తాయి మరియు వివిధ ఆకారాలలో అచ్చు వేయబడతాయి మరియు ఊదబడతాయి. అస్ఫటిక ఘనపదార్థాలు ద్రవాల వలె అదే నిర్మాణ లక్షణాలను కలిగి ఉంటాయి మరియు చాలా సౌకర్యవంతంగా అత్యంత స్నిగ్ధ ద్రవాలుగా పరిగణించబడతాయి. అవి కొన్ని ఉష్ణోగ్రత వద్ద స్ఫటికాత్మకంగా మారవచ్చు. ప్రాచీన నాగరికతల నుండి కొన్ని గాజు వస్తువులు కొంత స్ఫటికీకరణ కారణంగా పాలరూపంలో కనిపిస్తాయి. ద్రవాల వలె, అస్ఫటిక ఘనపదార్థాలు ప్రవహించే ప్రవృత్తిని కలిగి ఉంటాయి, అయినప్పటికీ చాలా నెమ్మదిగా. అందువల్ల, కొన్నిసార్లు ఇవి సూడో ఘనపదార్థాలు లేదా సూపర్ కూల్డ్ ద్రవాలు అని పిలువబడతాయి.

అస్ఫటిక ఘనపదార్థాలు స్వభావంలో ఐసోట్రోపిక్ (సమదైశిక). వాటి లక్షణాలు ఏవైతే మెకానికల్ బలం, వక్రీభవన గుణకం మరియు విద్యుత్ వాహకత మొదలైనవి, అవి అన్ని దిశలలో ఒకేలా ఉంటాయి. ఎందుకంటే వాటిలో దీర్ఘ-పరిధి క్రమం లేదు మరియు కణాల అమరిక అన్ని దిశలలో నిర్దిష్టంగా ఉండదు. అందువల్ల, మొత్తం అమరిక అన్ని దిశలలో సమానమైపోతుంది. కాబట్టి, ఏదైనా భౌతిక లక్షణం యొక్క విలువ ఏ దిశలోనైనా ఒకేలా ఉంటుంది.

స్ఫటిక ఘనపదార్థాలు స్వభావంలో అనిసోట్రోపిక్ (విషమదైశిక), అంటే, వాటి కొన్ని భౌతిక లక్షణాలు విద్యుత్ నిరోధకత లేదా వక్రీభవన గుణకం వంటివి ఒకే స్ఫటికంలో వివిధ దిశలలో కొలిచినప్పుడు విభిన్న విలువలను చూపుతాయి. ఇది వివిధ దిశలలో కణాల విభిన్న అమరిక నుండి ఉద్భవిస్తుంది. ఇది Fig. 1.2 లో వివరించబడింది. ఈ బొమ్మ రెండు రకాల పరమాణువుల అమరిక యొక్క సాధారణ ద్విమితీయ నమూనాను చూపుతుంది. బొమ్మలో సూచించిన రెండు దిశలలో కత్తిరింపు ఒత్తిడికి నిరోధకత వంటి యాంత్రిక లక్షణం చాలా భిన్నంగా ఉండవచ్చు. CD దిశలో వైకల్యం రెండు వేర్వేరు రకాల పరమాణువులను కలిగి ఉన్న వరుసను స్థానభ్రంశం చేస్తుంది, అయితే AB దిశలో ఒక రకం పరమాణువులతో తయారు చేయబడిన వరుసలు స్థానభ్రంశం చెందుతాయి. స్ఫటిక ఘనపదార్థాలు మరియు అస్ఫటిక ఘనపదార్థాల మధ్య వ్యత్యాసాలు Table 1.1 లో సంగ్రహించబడ్డాయి.

స్ఫటిక మరియు అస్ఫటిక ఘనపదార్థాలతో పాటు, కొన్ని ఘనపదార్థాలు ఉన్నాయి, అవి బాహ్యంగా అస్ఫటికంగా కనిపిస్తాయి కానీ సూక్ష్మస్ఫటిక నిర్మాణాలను కలిగి ఉంటాయి. ఇవి బహుస్ఫటిక ఘనపదార్థాలు అని పిలువబడతాయి. లోహాలు తరచుగా బహుస్ఫటిక స్థితిలో ఏర్పడతాయి. వ్యక్తిగత స్ఫటికాలు యాదృచ్ఛికంగా ఆరియంట్ చేయబడతాయి కాబట్టి ఒకే స్ఫటికం అనిసోట్రోపిక్ అయినప్పటికీ ఒక లోహ నమూనా ఐసోట్రోపిక్ అనిపించవచ్చు.

1.3 స్ఫటిక ఘనపదార్థాల వర్గీకరణ

సెక్షన్ 1.2 లో, మనం అస్ఫటిక పదార్థాల గురించి నేర్చుకున్నాము మరియు వాటికి చిన్న-పరిధి క్రమం మాత్రమే ఉంటుంది. అయితే, చాలా ఘన పదార్థాలు స్వభావంలో స్ఫటికాత్మకంగా ఉంటాయి. ఉదాహరణకు, ఇనుము, రాగి మరియు వెండి వంటి అన్ని లోహ మూలకాలు; గంధకం, భాస్వరం మరియు అయోడిన్ వంటి అలోహ మూలకాలు మరియు సోడియం క్లోరైడ్, జింక్ సల్ఫైడ్ మరియు నాఫ్తలీన్ వంటి సమ్మేళనాలు స్ఫటిక ఘనపదార్థాలను ఏర్పరుస్తాయి.

స్ఫటిక ఘనపదార్థాలను వివిధ రీతుల్లో వర్గీకరించవచ్చు. పద్ధతి చేతిలో ఉన్న ఉద్దేశ్యంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ఇక్కడ, మనం స్ఫటిక ఘనపదార్థాలను అంతర్భాగ కణాలను కలిపి ఉంచే అంతర-అణు శక్తులు లేదా బంధాల స్వభావం ఆధారంగా వర్గీకరిస్తాము. ఇవి — (i) వాన్ డెర్ వాల్స్ శక్తులు; (ii) అయానిక్ బంధాలు; (iii) సహసంయోజక బంధాలు; మరియు (iv) లోహ బంధాలు. ఈ ఆధారంగా, స్ఫటిక ఘనపదార్థాలు నాలుగు వర్గాలుగా వర్గీకరించబడ్డాయి అవి, అణుస్థాయి, అయానిక్, లోహ మరియు సహసంయోజక ఘనపదార్థాలు. ఈ వర్గాల గురించి ఇప్పుడు తెలుసుకుందాం.

1.3.1 అణుస్థాయి ఘనపదార్థాలు

అణువులు అణుస్థాయి ఘనపదార్థాల అంతర్భాగ కణాలు. ఇవి మరింత ఉపవిభజించబడ్డాయి:

(i) అధ్రువ అణుస్థాయి ఘనపదార్థాలు: ఇవి పరమాణువులను కలిగి ఉంటాయి, ఉదాహరణకు, ఆర్గాన్ మరియు హీలియం లేదా అధ్రువ సహసంయోజక బంధాల ద్వారా ఏర్పడిన అణువులు, ఉదాహరణకు, H2, Cl2 మరియు I2. ఈ ఘనపదార్థాలలో, పరమాణువులు లేదా అణువులు బలహీనమైన వికర్ణ శక్తులు లేదా లండన్ శక్తుల ద్వారా ఉంచబడతాయి, దీని గురించి మీరు క్లాస్ XI లో నేర్చుకున్నారు. ఈ ఘనపదార్థాలు మృదువుగా ఉంటాయి మరియు విద్యుత్ యొక్క అవాహకాలు. వాటికి తక్కువ ద్రవీభవన స్థానాలు ఉంటాయి మరియు సాధారణంగా గది ఉష్ణోగ్రత మరియు పీడనం వద్ద ద్రవ లేదా వాయు స్థితిలో ఉంటాయి.

(ii) ధ్రువ అణుస్థాయి ఘనపదార్థాలు: HCl, SO2 మొదలైన పదార్థాల అణువులు ధ్రువ సహసంయోజక బంధాల ద్వారా ఏర్పడతాయి. అటువంటి ఘనపదార్థాలలోని అణువులు సాపేక్షంగా బలమైన ద్విధ్రువ-ద్విధ్రువ పరస్పర చర్యల ద్వారా కలిపి ఉంచబడతాయి. ఈ ఘనపదార్థాలు మృదువుగా ఉంటాయి మరియు విద్యుత్ యొక్క అవాహకాలు. వాటి ద్రవీభవన స్థానాలు అధ్రువ అణుస్థాయి ఘనపదార్థాల కంటే ఎక్కువగా ఉంటాయి, అయినప్పటికీ వీటిలో చాలా వరకు గది ఉష్ణోగ్రత మరియు పీడనం వద్ద వాయువులు లేదా ద్రవాలుగా ఉంటాయి. ఘన SO2 మరియు ఘన NH3 అటువంటి ఘనపదార్థాల కొన్ని ఉదాహరణలు.

(iii) హైడ్రోజన్ బంధిత అణుస్థాయి ఘనపదార్థాలు: అటువంటి ఘనపదార్థాల అణువులు H మరియు F, O లేదా N పరమాణువుల మధ్య ధ్రువ సహసంయోజక బంధాలను కలిగి ఉంటాయి. బలమైన హైడ్రోజన్ బంధం H2O (మంచు) వంటి ఘనపదార్థాల అణువులను బంధిస్తుంది. అవి విద్యుత్ యొక్క అవాహకాలు. సాధారణంగా అవి గది ఉష్ణోగ్రత మరియు పీడనం వద్ద బాష్పశీల ద్రవాలు లేదా మృదువైన ఘనపదార్థాలు.

1.3.2 అయానిక్ ఘనపదార్థాలు

అయాన్లు అయానిక్ ఘనపదార్థాల అంతర్భాగ కణాలు. అటువంటి ఘనపదార్థాలు కాటయాన్లు మరియు యానయాన్ల యొక్క మూడు కోణాల అమరికల ద్వారా బలమైన కూలంబిక్ (ఎలక్ట్రోస్టాటిక్) శక్తుల ద్వారా బంధించబడతాయి. ఈ ఘనపదార్థాలు స్వభావంలో గట్టిగా మరియు పెళుసుగా ఉంటాయి. వాటికి అధిక ద్రవీభవన మరియు బాష్పీభవన స్థానాలు ఉంటాయి. అయాన్లు స్వేచ్ఛగా కదలడానికి ఉచితంగా లేనందున, అవి ఘన స్థితిలో విద్యుత్ అవాహకాలు. అయితే, కరిగిన స్థితిలో లేదా నీటిలో కరిగినప్పుడు, అయాన్లు స్వేచ్ఛగా కదలడానికి ఉచితంగా మారతాయి మరియు అవి విద్యుత్ను నిర్వహిస్తాయి.

1.3.3 లోహ ఘనపదార్థాలు

లోహాలు ధనాత్మక అయాన్ల క్రమబద్ధమైన సమాహారం, ఇవి ఉచిత ఎలక్ట్రాన్ల సముద్రం చుట్టూ ఉంటాయి మరియు కలిపి ఉంచబడతాయి. ఈ ఎలక్ట్రాన్లు చలనశీలంగా ఉంటాయి మరియు స్ఫటికం అంతటా సమానంగా వ్యాప్తి చెందుతాయి. ప్రతి లోహ పరమాణువు ఈ చలనశీల ఎలక్ట్రాన్ల సముద్రం వైపు ఒకటి లేదా అంతకంటే ఎక్కువ ఎలక్ట్రాన్లను సమకూరుస్తుంది. ఈ ఉచిత మరియు చలనశీల ఎలక్ట్రాన్లు లోహాల యొక్క అధిక విద్యుత్ మరియు ఉష్ణ వాహకతకు బాధ్యత వహిస్తాయి. విద్యుత్ క్షేత్రం ప్రయోగించబడినప్పుడు, ఈ ఎలక్ట్రాన్లు ధనాత్మక అయాన్ల నెట్వర్క్ ద్వారా ప్రవహిస్తాయి. అదేవిధంగా, ఒక లోహం యొక్క ఒక భాగానికి వేడి సరఫరా చేయబడినప్పుడు, ఉష్ణ శక్తి ఉచిత ఎలక్ట్రాన్ల ద్వారా మొత్తం అంతటా సమానంగా వ్యాప్తి చెందుతుంది. లోహాల యొక్క మరొక ముఖ్యమైన లక్షణం అవి కొన్ని సందర్భాల్లో మెరుపు మరియు రంగు. ఇది కూడా వాటిలో ఉచిత ఎలక్ట్రాన్ల ఉనికి కారణంగా ఉంటుంది. లోహాలు అత్యంత మెలియబిలిటీ మరియు డక్టిలిటీ కలిగి ఉంటాయి.

1.3.4 సహసంయోజక లేదా నెట్వర్క్ ఘనపదార్థాలు

అలోహాల యొక్క విస్తృత రకాల స్ఫటిక ఘనపదార్థాలు స్ఫటికం అంతటా ప్రక్కనే ఉన్న పరమాణువుల మధ్య సహసంయోజక బంధాల ఏర్పాటు నుండి ఉద్భవిస్తాయి. వాటిని జైంట్ అణువులు అని కూడా అంటారు. సహసంయోజక బంధాలు బలంగా మరియు దిశాత్మక స్వభావం కలిగి ఉంటాయి, కాబట్టి పరమాణువులు వాటి స్థానాల వద్ద చాలా బలంగా ఉంచబడతాయి. అటువంటి ఘనపదార్థాలు చాలా గట్టిగా మరియు పెళుసుగా ఉంటాయి. వాటికి చాలా ఎక్కువ ద్రవీభవన స్థానాలు ఉంటాయి