जैसे हम अपने आस-पास देखते हैं, हमें विभिन्न आकारों, साइजों और बनावट वाली अनेक वस्तुएँ दिखाई देती हैं। इस ब्रह्मांड की हर चीज उस पदार्थ से बनी है जिसे वैज्ञानिकों ने “पदार्थ” नाम दिया है। हमारे द्वारा साँस लिया जाने वाली हवा, हमारे द्वारा खाया जाने वाला भोजन, पत्थर, बादल, तारे, पौधे और जानवर, यहाँ तक कि पानी की एक छोटी बूँद या रेत का एक कण - हर चीज पदार्थ है। हम अपने आस-पास देख सकते हैं कि ऊपर उल्लिखित सभी वस्तुएँ स्थान घेरती हैं और उनमें द्रव्यमान होता है। दूसरे शब्दों में, उनमें द्रव्यमान और आयतन दोनों होते हैं।

प्रारंभिक काल से ही, मनुष्य अपने आस-पास को समझने का प्रयास करता रहा है। प्रारंभिक भारतीय दार्शनिकों ने पदार्थ का वर्गीकरण पाँच मूल तत्वों - “पंच तत्व” - वायु, पृथ्वी, अग्नि, आकाश और जल के रूप में किया। उनके अनुसार हर चीज, चाहे जीवित हो या निर्जीव, इन्हीं पाँच मूल तत्वों से बनी थी। प्राचीन यूनानी दार्शनिक भी पदार्थ के इसी प्रकार के वर्गीकरण पर पहुँचे थे।

आधुनिक वैज्ञानिकों ने पदार्थ के भौतिक गुणों और रासायनिक प्रकृति के आधार पर दो प्रकार के वर्गीकरण विकसित किए हैं।

इस अध्याय में हम पदार्थ के भौतिक गुणों के आधार पर उसके बारे में सीखेंगे। पदार्थ के रासायनिक पहलुओं पर बाद के अध्यायों में चर्चा की जाएगी।

1.1 पदार्थ की भौतिक प्रकृति

1.1.1 पदार्थ कणों से मिलकर बना है

पदार्थ की प्रकृति के संबंध में लंबे समय तक विचारों के दो संप्रदाय प्रचलित रहे। एक संप्रदाय का मानना था कि पदार्थ लकड़ी के एक खंड की तरह सतत है, जबकि दूसरे का विचार था कि पदार्थ रेत के कणों की तरह कणों से मिलकर बना है। आइए पदार्थ की प्रकृति - क्या यह सतत है या कणिक - के बारे में निर्णय लेने के लिए एक क्रियाकलाप करें।

क्रियाकलाप 1.1

• एक $100 mL$ बीकर लीजिए। बीकर को आधा पानी से भरिए और पानी का स्तर चिह्नित कीजिए।

• काँच की छड़ की सहायता से कुछ नमक/चीनी घोलिए।

• पानी के स्तर में कोई परिवर्तन देखिए।

• आपके विचार में नमक का क्या हुआ?

• वह कहाँ गायब होता है?

• क्या पानी का स्तर बदलता है?

इन प्रश्नों के उत्तर देने के लिए हमें इस विचार का उपयोग करने की आवश्यकता है कि पदार्थ कणों से मिलकर बना है। चम्मच में जो नमक या चीनी थी, वह अब पूरे पानी में फैल गई है। इसे चित्र 1.1 में दर्शाया गया है।

चित्र 1.1: जब हम नमक को पानी में घोलते हैं, तो नमक के कण पानी के कणों के बीच के रिक्त स्थान में चले जाते हैं।

1.1.2 पदार्थ के ये कण कितने छोटे होते हैं?

क्रियाकलाप 1.2

• $2-3$ पोटैशियम परमैंगनेट के क्रिस्टल लीजिए और उन्हें $100 mL$ पानी में घोलिए।$\cdot$

• इस विलयन का लगभग $10 mL$ निकालकर $90 mL$ साफ पानी में डाल दीजिए।

• इस विलयन का $10 mL$ निकालकर दूसरे $90 mL$ साफ पानी में डाल दीजिए। इस प्रकार विलयन को 5 से 8 बार तक तनु करते रहिए।

• क्या पानी अभी भी रंगीन है?

चित्र 1.2: पदार्थ के कण कितने छोटे हैं, इसका अनुमान लगाना। हर बार तनुकरण के साथ, हालाँकि रंग हल्का हो जाता है, फिर भी वह दिखाई देता है।

यह प्रयोग दर्शाता है कि पोटैशियम परमैंगनेट के केवल कुछ क्रिस्टल बड़ी मात्रा में पानी (लगभग $1000 L$) को रंगीन कर सकते हैं। इसलिए हम निष्कर्ष निकालते हैं कि पोटैशियम परमैंगनेट के एक ही क्रिस्टल में लाखों सूक्ष्म कण होने चाहिए, जो स्वयं को छोटे और छोटे कणों में विभाजित करते रहते हैं।

यही क्रियाकलाप पोटैशियम परमैंगनेट के स्थान पर $2 ml$ डेटॉल का उपयोग करके किया जा सकता है। बार-बार तनु करने पर भी गंध का पता लगाया जा सकता है।

पदार्थ के कण बहुत छोटे होते हैं, वे हमारी कल्पना से भी परे छोटे होते हैं!!!!

1.2 पदार्थ के कणों की विशेषताएँ

1.2.1 पदार्थ के कणों के बीच रिक्त स्थान होता है

क्रियाकलाप 1.1 और 1.2 में हमने देखा कि चीनी, नमक, डेटॉल या पोटैशियम परमैंगनेट के कण पानी में समान रूप से वितरित हो गए। इसी प्रकार, जब हम चाय, कॉफी या नींबू पानी बनाते हैं, तो एक प्रकार के पदार्थ के कण दूसरे के कणों के बीच के रिक्त स्थान में चले जाते हैं। यह दर्शाता है कि पदार्थ के कणों के बीच पर्याप्त रिक्त स्थान होता है।

1.2.2 पदार्थ के कण निरंतर गतिशील रहते हैं

क्रियाकलाप 1.3

• अपनी कक्षा के एक कोने में एक बिना जलाए हुए अगरबत्ती रख दीजिए। इसकी गंध पाने के लिए आपको इसके कितने पास जाना पड़ता है?

• अब अगरबत्ती जला दीजिए। क्या होता है? क्या आपको दूर बैठे हुए गंध मिलती है?

• अपने प्रेक्षण अंकित कीजिए।

क्रियाकलाप 1.4

• पानी से भरे दो गिलास/बीकर लीजिए।

• पहले बीकर में नीले या लाल स्याही की एक बूँद धीरे और सावधानी से किनारे से डालिए और दूसरे बीकर में उसी प्रकार शहद डालिए।

• उन्हें अपने घर में या कक्षा के एक कोने में बिना हिलाए-डुलाए छोड़ दीजिए।

• अपने प्रेक्षण अंकित कीजिए।

• स्याही की बूँद डालने के तुरंत बाद आप क्या देखते हैं?

• शहद की एक बूँद डालने के तुरंत बाद आप क्या देखते हैं?

• स्याही का रंग पूरे पानी में समान रूप से फैलने में कितने घंटे या दिन लगते हैं?

क्रियाकलाप 1.5

• कॉपर सल्फेट या पोटैशियम परमैंगनेट का एक क्रिस्टल एक गिलास गर्म पानी और दूसरे गिलास ठंडे पानी में डालिए। विलयन को हिलाइए मत। क्रिस्टलों को तली में बैठने दीजिए।

• गिलास में ठोस क्रिस्टल के ठीक ऊपर आप क्या देखते हैं?

• समय बीतने के साथ क्या होता है?

• ठोस और द्रव के कणों के बारे में यह क्या सुझाता है?

• क्या तापमान के साथ मिश्रण की दर बदलती है? क्यों और कैसे?

उपरोक्त तीन क्रियाकलापों ($1.3,1.4$ और 1.5) से, हम निम्नलिखित निष्कर्ष निकाल सकते हैं:

पदार्थ के कण निरंतर गतिशील रहते हैं, अर्थात्, उनमें वह गुण होता है जिसे हम गतिज ऊर्जा कहते हैं। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, कण तेजी से चलते हैं। इसलिए, हम कह सकते हैं कि तापमान में वृद्धि के साथ कणों की गतिज ऊर्जा भी बढ़ जाती है।

उपरोक्त तीन क्रियाकलापों में हम देखते हैं कि पदार्थ के कण स्वयं ही एक-दूसरे के साथ मिल जाते हैं। वे कणों के बीच के रिक्त स्थान में प्रवेश करके ऐसा करते हैं। दो भिन्न प्रकार के पदार्थों के कणों का स्वयं ही आपस में मिलना विसरण कहलाता है। हम यह भी देखते हैं कि गर्म करने पर विसरण तेज हो जाता है। ऐसा क्यों होता है?

1.2.3 पदार्थ के कण एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं

क्रियाकलाप 1.6

• मैदान में यह खेल खेलिए- चार समूह बनाइए और सुझाव के अनुसार मानव श्रृंखलाएँ बनाइए:

• पहले समूह को एक-दूसरे को पीछे से पकड़ना चाहिए और इडू-मिश्मी नर्तकों (चित्र 1.3) की तरह बाँहें फँसानी चाहिए।

• दूसरे समूह को हाथ पकड़कर एक मानव श्रृंखला बनानी चाहिए।

• तीसरे समूह को केवल अपनी उँगलियों के सिरों से एक-दूसरे को छूकर एक श्रृंखला बनानी चाहिए।

• अब, छात्रों के चौथे समूह को इधर-उधर दौड़ना चाहिए और तीनों मानव श्रृंखलाओं को एक-एक करके यथासंभव छोटे-छोटे समूहों में तोड़ने का प्रयास करना चाहिए।

• कौन सी श्रृंखला तोड़ना सबसे आसान था? क्यों?

चित्र 1.3

यदि हम प्रत्येक छात्र को पदार्थ का एक कण मानें, तो किस समूह में कणों ने एक-दूसरे को अधिकतम बल से पकड़ रखा था?

क्रियाकलाप 1.7

• एक लोहे की कील, चॉक का एक टुकड़ा और एक रबर बैंड लीजिए।

• हथौड़े से पीटकर, काटकर या खींचकर उन्हें तोड़ने का प्रयास कीजिए।

• उपरोक्त तीन पदार्थों में से आपके विचार में किसमें कण अधिक बल से एक-दूसरे से बंधे होते हैं?

क्रियाकलाप 1.8

• एक पात्र में कुछ पानी लीजिए, अपनी उँगलियों से पानी की सतह को काटने का प्रयास कीजिए।

• क्या आप पानी की सतह को काट पाए?

• पानी की सतह के एक साथ बने रहने के पीछे क्या कारण हो सकता है?

उपरोक्त तीन क्रियाकलाप (1.6, 1.7 और 1.8) सुझाते हैं कि पदार्थ के कणों के बीच बल कार्य करता है। यह बल कणों को एक साथ बनाए रखता है। आकर्षण के इस बल की प्रबलता एक प्रकार के पदार्थ से दूसरे प्रकार के पदार्थ में भिन्न होती है।

1.3 पदार्थ की अवस्थाएँ

अपने आस-पास विभिन्न प्रकार के पदार्थों का अवलोकन कीजिए। इसकी विभिन्न अवस्थाएँ क्या हैं? हम देख सकते हैं कि हमारे आस-पास का पदार्थ तीन भिन्न अवस्थाओं- ठोस, द्रव और गैस में विद्यमान रहता है। पदार्थ के कणों की विशेषताओं में भिन्नता के कारण पदार्थ की ये अवस्थाएँ उत्पन्न होती हैं।

अब, आइए हम इन तीनों अवस्थाओं के गुणों के बारे में विस्तार से अध्ययन करें।

1.3.1 ठोस अवस्था

क्रियाकलाप 1.9

• निम्नलिखित वस्तुएँ एकत्रित कीजिए - एक कलम, एक किताब, एक सुई और लकड़ी की एक छड़ी का टुकड़ा।

• अपनी नोटबुक में इन वस्तुओं के चारों ओर एक पेंसिल घुमाकर उनकी आकृति का रेखाचित्र बनाइए।

• क्या इन सभी का एक निश्चित आकार, स्पष्ट सीमाएँ और एक निश्चित आयतन है?

• यदि उन्हें हथौड़े से पीटा जाए, खींचा जाए या गिराया जाए तो क्या होता है?

• क्या ये एक-दूसरे में विसरित होने में सक्षम हैं?

• बल लगाकर उन्हें संपीडित करने का प्रयास कीजिए। क्या आप उन्हें संपीडित कर पा रहे हैं?

उपरोक्त सभी ठोसों के उदाहरण हैं। हम देख सकते हैं कि इन सभी का एक निश्चित आकार, स्पष्ट सीमाएँ और निश्चित आयतन होता है, अर्थात्, इनकी संपीड्यता नगण्य होती है। ठोसों में बाहरी बल लगाने पर अपना आकार बनाए रखने की प्रवृत्ति होती है। ठोस बल के अधीन टूट सकते हैं लेकिन उनका आकार बदलना कठिन होता है, इसलिए वे दृढ़ होते हैं।

निम्नलिखित पर विचार कीजिए:

(क) रबर बैंड के बारे में क्या, क्या यह खींचने पर अपना आकार बदल सकता है? क्या यह एक ठोस है?

(ख) चीनी और नमक के बारे में क्या? अलग-अलग जार में रखने पर ये जार का आकार ले लेते हैं। क्या वे ठोस हैं?

(ग) स्पंज के बारे में क्या? यह एक ठोस है फिर भी हम इसे संपीडित करने में सक्षम हैं। क्यों?

उपरोक्त सभी ठोस हैं क्योंकि:

• एक रबर बैंड बल लगाने पर आकार बदलता है और बल हटाने पर वही आकार पुनः प्राप्त कर लेता है। यदि अत्यधिक बल लगाया जाए, तो वह टूट जाता है।
• प्रत्येक चीनी या नमक के क्रिस्टल का आकार निश्चित रहता है, चाहे हम उसे अपने हाथ में लें, प्लेट में रखें या जार में रखें।
• स्पंज में सूक्ष्म छिद्र होते हैं, जिनमें वायु फँसी रहती है, जब हम उसे दबाते हैं, तो वायु बाहर निकल जाती है और हम उसे संपीडित कर पाते हैं।

1.3.2 द्रव अवस्था

क्रियाकलाप 1.10

• निम्नलिखित एकत्रित कीजिए:

(क) पानी, खाना पकाने का तेल, दूध, जूस, एक कोल्ड ड्रिंक।

(ख) विभिन्न आकारों के पात्र। प्रयोगशाला से मापने वाले सिलेंडर का उपयोग करके इन पात्रों पर $50 mL$ का चिह्न लगाइए।

• यदि ये द्रव फर्श पर गिरा दिए जाएँ तो क्या होगा?

• किसी एक द्रव का $50 mL$ मापिए और उसे एक-एक करके विभिन्न पात्रों में स्थानांतरित कीजिए।

• क्या आयतन समान रहता है?

• क्या द्रव का आकार समान रहता है?

• जब आप द्रव को एक पात्र से दूसरे पात्र में डालते हैं, तो क्या वह आसानी से बहता है?

हम देखते हैं कि द्रवों का कोई निश्चित आकार नहीं होता लेकिन उनका एक निश्चित आयतन होता है। वह उस पात्र का आकार ग्रहण कर लेते हैं जिसमें उन्हें रखा जाता है। द्रव बहते हैं और आकार बदलते हैं, इसलिए वे दृढ़ नहीं होते बल्कि उन्हें तरल कहा जा सकता है।

क्रियाकलाप 1.4 और 1.5 का संदर्भ लीजिए जहाँ हमने देखा कि ठोस और द्रव, द्रवों में विसरित हो सकते हैं। वायुमंडल की गैसें पानी में विसरित होकर घुल जाती हैं। ये गैसें, विशेष रूप से ऑक्सीजन और कार्बन डाइऑक्साइड, जलीय जंतुओं और पौधों के अस्तित्व के लिए आवश्यक हैं।

सभी जीवित प्राणियों को जीवित रहने के लिए साँस लेने की आवश्यकता होती है। जलीय जंतु पानी में घुली हुई ऑक्सीजन की उपस्थिति के कारण पानी के अंदर साँस ले सकते हैं। इस प्रकार, हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि ठोस, द्रव और गैसें द्रवों में विसरित हो सकती हैं। द्रवों के विसरण की दर ठोसों की तुलना में अधिक होती है। यह इस तथ्य के कारण है कि द्रव अवस्था में, कण स्वतंत्र रूप से चलते हैं और ठोस अवस्था में कणों की तुलना में एक-दूसरे के बीच अधिक स्थान होता है।

1.3.3 गैसीय अवस्था

क्या आपने कभी एक गुब्बारा विक्रेता को गैस के एक सिलेंडर से बड़ी संख्या में गुब्बारे भरते हुए देखा है? उससे पूछिए कि वह एक सिलेंडर से कितने गुब्बारे भर पाता है। उससे पूछिए कि उसके सिलेंडर में कौन सी गैस है।

क्रियाकलाप 1.11

• तीन $100 mL$ सिरिंज लीजिए और उनके नोजल को रबर के कॉर्क से बंद कर दीजिए, जैसा कि चित्र 1.4 में दिखाया गया है।

• सभी सिरिंज से पिस्टन निकाल दीजिए।

• एक सिरिंज को बिना छेड़े छोड़कर, दूसरी में पानी और तीसरी में चॉक के टुकड़े भर दीजिए।

• सिरिंज में पिस्टन वापस डाल दीजिए। उनकी सहज गति के लिए सिरिंज में डालने से पहले आप पिस्टन पर कुछ वैसलीन लगा सकते हैं।

• अब, प्रत्येक सिरिंज में पिस्टन को धकेलकर उसकी सामग्री को संपीडित करने का प्रयास कीजिए।

चित्र 1.4

• आप क्या देखते हैं? किस मामले में पिस्टन आसानी से अंदर धकेला गया?

• अपने प्रेक्षणों से आप क्या निष्कर्ष निकालते हैं?

हमने देखा है कि गैसें ठोसों और द्रवों की तुलना में अत्यधिक संपीड्य होती हैं। खाना पकाने के लिए हमें अपने घर में मिलने वाला तरलीकृत पेट्रोलियम गैस (एलपीजी) सिलेंडर या अस्पतालों में सिलेंडरों में आपूर्ति की जाने वाली ऑक्सीजन संपीडित गैस है। संपीडित प्राकृतिक गैस (सीएनजी) का उपयोग आजकल वाहनों में ईंधन के रूप में किया जाता है। इसकी उच्च संपीड्यता के कारण, गैस की बड़ी मात्रा को एक छोटे सिलेंडर में संपीडित किया जा सकता है और आसानी से परिवहन किया जा सकता है।

बिना रसोई में गए ही हमें वहाँ क्या पकाया जा रहा है, इसकी जानकारी हमारे नथुनों तक पहुँचने वाली गंध से हो जाती है। यह गंध हम तक कैसे पहुँचती है? भोजन की सुगंध के कण हवा के कणों के साथ मिलकर रसोई से फैलते हैं, हम तक और यहाँ तक कि और दूर तक पहुँच जाते हैं। गर्म पके हुए भोजन की गंध सेकंडों में हम तक पहुँच जाती है; इसकी तुलना ठोसों और द्रवों के विसरण की दर से कीजिए। कणों की उच्च गति और उनके बीच बड़े स्थान के कारण, गैसें अन्य गैसों में बहुत तेजी से विसरित होने का गुण प्रदर्शित करती हैं।

गैसीय अवस्था में, कण उच्च गति से यादृच्छिक रूप से इधर-उधर घूमते रहते हैं। इस यादृच्छिक गति के कारण, कण एक-दूसरे से और पात्र की दीवारों से भी टकराते हैं। गैस द्वारा डाला गया दाब पात्र की दीवारों पर गैस के कणों द्वारा प्रति इकाई क्षेत्रफल पर लगाए गए इसी बल के कारण होता है।

चित्र 1.5: $a, b$ और $c$ पदार्थ की तीन अवस्थाओं के आवर्धित योजनाबद्ध चित्र दिखाते हैं। कणों की गति को पदार्थ की तीनों अवस्थाओं में देखा और तुलना की जा सकती है।

1.4 क्या पदार्थ अपनी अवस्था बदल सकता है?

हम सभी अपने अवलोकन से जानते हैं कि पानी पदार्थ की तीन अवस्थाओं में विद्यमान रह सकता है-

• ठोस, बर्फ के रूप में,

• द्रव, परिचित पानी के रूप में, और

• गैस, जल वाष्प के रूप में।

अवस्था परिवर्तन के दौरान पदार्थ के अंदर क्या होता है? अवस्था परिवर्तन के दौरान पदार्थ के कणों का क्या होता है? यह अवस्था परिवर्तन कैसे होता है? हमें इन प्रश्नों के उत्तर चाहिए, है ना?

1.4.1 तापमान परिवर्तन का प्रभाव

क्रियाकलाप 1.12

• एक बीकर में लगभग $150 g$ बर्फ लीजिए और एक प्रयोगशाला थर्मामीटर इस प्रकार लटकाइए कि उसका बल्ब बर्फ के संपर्क में रहे, जैसा कि चित्र 1.6 में है।

(क)

(ख)

चित्र 1.6: (क) बर्फ का पानी में रूपांतरण, (ख) पानी का जल वाष्प में रूपांतरण

• बीकर को धीमी आँच पर गर्म करना प्रारंभ कीजिए। वह तापमान नोट कीजिए जब बर्फ पिघलना शुरू होती है।

• वह तापमान नोट कीजिए जब सारी बर्फ पानी में परिवर्तित हो जाती है।

• ठोस से द्रव अवस्था में इस रूपांतरण के लिए अपने प्रेक्षण अंकित कीजिए।

• अब, बीकर में एक काँच की छड़ डालिए और हिलाते हुए तब तक गर्म कीजिए जब तक पानी उबलने न लगे।

• अधिकांश पानी के वाष्पित होने तक थर्मामीटर के पाठ्यांक पर सावधानीपूर्वक नजर रखिए।

• द्रव अवस्था में पानी के गैसीय अवस्था में रूपांतरण के लिए अपने प्रेक्षण अंकित कीजिए।

ठोसों के तापमान में वृद्धि करने पर, कणों की गतिज ऊर्जा बढ़ जाती है। गतिज ऊर्जा में वृद्धि के कारण, कण अधिक गति से कंपन करने लगते हैं। ऊष्मा द्वारा आपूर्ति की गई ऊर्जा कणों के बीच के आकर्षण बलों पर विजय प्राप्त कर लेती है। कण अपने निश्चित स्थान छोड़ देते हैं और अधिक स्वतंत्र रूप से चलने लगते हैं। एक स्तर ऐसा आता है जब ठोस पिघल जाता है और द्रव में परिवर्तित हो जाता है। वह न्यूनतम तापमान जिस पर एक ठोस वायुमंडलीय दाब पर द्रव बनने के लिए पिघलता है, उसका गलनांक कहलाता है।

किसी ठोस का गलनांक उसके कणों के बीच आकर्षण बल की प्रबलता का सूचक है।

बर्फ का गलनांक $273.15 K^{*}$ है। पिघलने की प्रक्रिया, अर्थात् ठोस अवस्था का द्रव अवस्था में परिवर्तन, संगलन के नाम से भी जानी जाती है। जब कोई ठोस पिघलता है, तो उसका तापमान समान रहता है, तो ऊष्मा ऊर्जा कहाँ जाती है?

आपने पिघलने के प्रयोग के दौरान अवश्य देखा होगा कि गलनांक तक पहुँ