आपण आपल्या सभोवतालचा विचार करतो तेव्हा आपल्याला विविध आकार, आकारमान आणि पोत असलेल्या अनेक गोष्टी दिसतात. या विश्वातील प्रत्येक गोष्ट ही अशा सामग्रीपासून बनलेली आहे ज्याला शास्त्रज्ञांनी “पदार्थ” असे नाव दिले आहे. आपण श्वासावाटे घेत असलेली हवा, आपण खात असलेले अन्न, दगड, ढग, तारे, वनस्पती आणि प्राणी, अगदी पाण्याचा एक लहान थेंब किंवा वाळूचा कण - प्रत्येक गोष्ट पदार्थ आहे. आपण आजूबाजूला पाहिल्यास आपल्याला हेही दिसते की वर नमूद केलेल्या सर्व गोष्टी जागा व्यापतात आणि त्यांचे वस्तुमान असते. दुसऱ्या शब्दांत, त्यांचे वस्तुमान आणि आकारमान दोन्ही असते.

प्राचीन काळापासून, मानव आपल्या सभोवतालचा अर्थ लावण्याचा प्रयत्न करत आहे. प्राचीन भारतीय तत्त्ववेत्त्यांनी पदार्थाचे वर्गीकरण पाच मूलभूत घटकांच्या रूपात केले होते - “पंचतत्त्व” - वायु, पृथ्वी, अग्नी, आकाश आणि जल. त्यांच्या मते प्रत्येक गोष्ट, सजीव किंवा निर्जीव, या पाच मूलभूत घटकांपासून बनलेली होती. प्राचीन ग्रीक तत्त्ववेत्त्यांनीही पदार्थाचे समान वर्गीकरण केले होते.

आधुनिक काळातील शास्त्रज्ञांनी पदार्थाचे दोन प्रकारचे वर्गीकरण त्यांच्या भौतिक गुणधर्मांवर आणि रासायनिक स्वरूपावर आधारित विकसित केले आहे.

या अध्यायात आपण पदार्थाचा अभ्यास त्याच्या भौतिक गुणधर्मांवर आधारित करू. पदार्थाचे रासायनिक पैलू पुढील अध्यायांमध्ये घेतले जातील.

१.१ पदार्थाचे भौतिक स्वरूप

१.१.१ पदार्थ कणांपासून बनलेला आहे

पदार्थाच्या स्वरूपाबाबत दीर्घकाळापासून दोन विचारप्रवाह प्रचलित होते. एका प्रवाहाचा असा विश्वास होता की पदार्थ हा लाकडाच्या ठोकळ्याप्रमाणे सातत्याने असतो, तर दुसऱ्याचा असा विचार होता की पदार्थ हा वाळूप्रमाणे कणांपासून बनलेला असतो. पदार्थाचे स्वरूप - तो सतत आहे की कणात्मक आहे हे ठरवण्यासाठी एक क्रियाकलाप करूया.

क्रियाकलाप १.१

• एक $100 mL$ बीकर घ्या. बीकर अर्धा पाण्याने भरा आणि पाण्याची पातळी चिन्हांकित करा.

• काचेच्या काठीच्या साहाय्याने थोडे मीठ/साखर विरघळवा.

• पाण्याच्या पातळीत काही बदल होतो का ते पहा.

• मीठाचे काय झाले असे तुम्हाला वाटते?

• ते कुठे नाहीसे होते?

• पाण्याची पातळी बदलते का?

या प्रश्नांची उत्तरे देण्यासाठी आपल्याला पदार्थ कणांपासून बनलेला आहे ही कल्पना वापरण्याची आवश्यकता आहे. चमच्यात जे होते, मीठ किंवा साखर, ते आता संपूर्ण पाण्यात पसरले आहे. हे आकृती १.१ मध्ये दाखवले आहे.

आकृती १.१: जेव्हा आपण पाण्यात मीठ विरघळवतो, तेव्हा मीठाचे कण पाण्याच्या कणांमधील अंतरांमध्ये शिरतात.

१.१.२ पदार्थाचे हे कण किती लहान असतात?

क्रियाकलाप १.२

• $2-3$ पोटॅशियम परमेंगनेटचे क्रिस्टल घ्या आणि ते $100 mL$ पाण्यात विरघळवा.$\cdot$

• या द्रावणातील अंदाजे $10 mL$ बाहेर काढा आणि ते $90 mL$ स्वच्छ पाण्यात टाका.

• या द्रावणातील $10 mL$ बाहेर काढा आणि ते दुसऱ्या $90 mL$ स्वच्छ पाण्यात टाका. द्रावणाचे अशाप्रकारे ५ ते ८ वेळा पातळ करत रहा.

• पाण्याला अजूनही रंग आलेला आहे का?

आकृती १.२: पदार्थाचे कण किती लहान आहेत याचा अंदाज लावणे. प्रत्येक पातळीकरणानंतर, रंग हलका होत असला तरी तो अद्याप दृश्यमान असतो.

हा प्रयोग दर्शवितो की पोटॅशियम परमेंगनेटचे फक्त काही क्रिस्टल मोठ्या प्रमाणात पाण्याला (सुमारे $1000 L$) रंग देऊ शकतात. म्हणून आपण असा निष्कर्ष काढतो की पोटॅशियम परमेंगनेटच्या एका क्रिस्टलमध्येच लाखो सूक्ष्म कण असणे आवश्यक आहे, जे स्वतःचे लहान आणि लहान कणांमध्ये विभाजन करत राहतात.

हाच क्रियाकलाप पोटॅशियम परमेंगनेटऐवजी $2 ml$ डेटॉल वापरून केला जाऊ शकतो. वारंवार पातळ केल्यानंतरही वास जाणवू शकतो.

पदार्थाचे कण खूपच लहान असतात, ते आपल्या कल्पनेपेक्षाही लहान असतात!!!!

१.२ पदार्थाच्या कणांचे गुणधर्म

१.२.१ पदार्थाच्या कणांमध्ये अंतर असते

क्रियाकलाप १.१ आणि १.२ मध्ये आपण पाहिले की साखर, मीठ, डेटॉल किंवा पोटॅशियम परमेंगनेटचे कण पाण्यात समान रीतीने वितरित झाले. त्याचप्रमाणे, जेव्हा आपण चहा, कॉफी किंवा लिंबू पाणी (निंबू पाणी) बनवतो, तेव्हा एका प्रकारच्या पदार्थाचे कण दुसऱ्या पदार्थाच्या कणांमधील अंतरांमध्ये शिरतात. हे दर्शवते की पदार्थाच्या कणांमध्ये पुरेसे अंतर असते.

१.२.२ पदार्थाचे कण सतत हलत असतात

क्रियाकलाप १.३

• तुमच्या वर्गाच्या एका कोपऱ्यात एक न जळलेली अगरबत्ती ठेवा. तिचा वास घेण्यासाठी तुम्हाला तिच्याजवळ किती जवळ जावे लागते?

• आता अगरबत्ती पेटवा. काय होते? दूर बसून तुम्हाला वास येतो का?

• तुमची निरीक्षणे नोंदवा.

क्रियाकलाप १.४

• पाण्याने भरलेले दोन ग्लास/बीकर घ्या.

• पहिल्या बीकरच्या बाजूने हळूवारपणे निळ्या किंवा लाल शाईचा एक थेंब आणि त्याच प्रकारे दुसऱ्या बीकरमध्ये मध टाका.

• त्यांना तुमच्या घरात किंवा वर्गाच्या कोपऱ्यात अबाधित ठेवा.

• तुमची निरीक्षणे नोंदवा.

• शाईचा थेंब टाकल्यानंतर लगेच तुम्हाला काय दिसते?

• मधाचा थेंब टाकल्यानंतर लगेच तुम्हाला काय दिसते?

• शाईचा रंग संपूर्ण पाण्यात समान रीतीने पसरण्यासाठी किती तास किंवा दिवस लागतात?

क्रियाकलाप १.५

• गरम पाण्याच्या एका ग्लासमध्ये आणि थंड पाण्याच्या दुसऱ्या ग्लासमध्ये कॉपर सल्फेट किंवा पोटॅशियम परमेंगनेटचा एक क्रिस्टल टाका. द्रावण ढवळू नका. क्रिस्टल्स तळाशी स्थिर राहू द्या.

• ग्लासमधील घन क्रिस्टलच्या अगदी वर तुम्हाला काय दिसते?

• वेळ जाताना काय होते?

• घन आणि द्रव यांच्या कणांबद्दल हे काय सूचित करते?

• मिश्रणाचा दर तापमानाबरोबर बदलतो का? का आणि कसे?

वरील तीन क्रियाकलापांवरून ($1.3,1.4$ आणि १.५), आपण पुढील निष्कर्ष काढू शकतो:

पदार्थाचे कण सतत हलत असतात, म्हणजेच, त्यांच्याकडे आपण ज्याला गतिज ऊर्जा म्हणतो ती असते. तापमान वाढल्यास कण वेगाने हलतात. म्हणून, आपण असे म्हणू शकतो की तापमान वाढल्यास कणांची गतिज ऊर्जाही वाढते.

वरील तीन क्रियाकलापांमध्ये आपण पाहतो की पदार्थाचे कण स्वतःच एकमेकांमध्ये मिसळतात. ते इतर कणांमधील अंतरांमध्ये शिरून हे करतात. दोन वेगवेगळ्या प्रकारच्या पदार्थांचे कण स्वतःच एकमेकांमध्ये मिसळणे याला विसरण (डिफ्यूजन) म्हणतात. आपण हेही पाहतो की तापवल्यास विसरण जलद होते. असे का होते?

१.२.३ पदार्थाचे कण एकमेकांना आकर्षित करतात

क्रियाकलाप १.६

• मैदानात हा खेळ खेळा - चार गट तयार करा आणि सुचविल्याप्रमाणे मानवी साखळ्या तयार करा:

• पहिल्या गटाने एकमेकांना मागून पकडून ईडू-मिश्मी नर्तकांप्रमाणे (आकृती १.३) हात गुंडाळून घ्यावेत.

• दुसऱ्या गटाने हात धरून मानवी साखळी तयार करावी.

• तिसऱ्या गटाने फक्त बोटांच्या टोकांनी एकमेकांना स्पर्श करून साखळी तयार करावी.

• आता, विद्यार्थ्यांच्या चौथ्या गटाने धावत फिरावे आणि तीनही मानवी साखळ्या एकामागून एक शक्य तितक्या लहान गटांमध्ये तोडण्याचा प्रयत्न करावा.

• कोणता गट तोडणे सर्वात सोपे होते? का?

आकृती १.३

जर आपण प्रत्येक विद्यार्थ्याला पदार्थाचा कण मानले, तर कोणत्या गटात कणांनी एकमेकांना जास्तीत जास्त बलाने धरले होते?

क्रियाकलाप १.७

• एक लोखंडी खिळा, खडूचा तुकडा आणि एक रबर बँड घ्या.

• हातोड्याने मारून, कापून किंवा ताणून ते तोडण्याचा प्रयत्न करा.

• वरील तीन पदार्थांपैकी कोणत्या पदार्थातील कण जास्त बलाने एकत्र धरलेले आहेत असे तुम्हाला वाटते?

क्रियाकलाप १.८

• एका पात्रात थोडे पाणी घ्या, तुमच्या बोटांनी पाण्याची पृष्ठभाग कापण्याचा प्रयत्न करा.

• तुम्ही पाण्याची पृष्ठभाग कापू शकलात का?

• पाण्याची पृष्ठभाग एकत्र राहण्यामागे कारण काय असू शकते?

वरील तीन क्रियाकलाप (१.६, १.७ आणि १.८) सूचित करतात की पदार्थाच्या कणांमध्ये कार्यरत असलेले बल असते. हे बल कणांना एकत्र ठेवते. या आकर्षण बलाची तीव्रता एका प्रकारच्या पदार्थापासून दुसऱ्या प्रकारच्या पदार्थापर्यंत बदलते.

१.३ पदार्थाची अवस्था

तुमच्या आजूबाजूला विविध प्रकारचे पदार्थ पहा. त्याच्या वेगवेगळ्या अवस्था कोणत्या आहेत? आपण पाहू शकतो की आपल्या सभोवतालचा पदार्थ तीन वेगवेगळ्या अवस्थांमध्ये अस्तित्वात आहे - घन, द्रव आणि वायू. पदार्थाच्या कणांच्या गुणधर्मांतील फरकामुळे पदार्थाच्या या अवस्था निर्माण होतात.

आता, या तीनही पदार्थाच्या अवस्थांचे गुणधर्म तपशीलवार अभ्यासूया.

१.३.१ घन अवस्था

क्रियाकलाप १.९

• पुढील वस्तू गोळा करा - एक पेन, एक पुस्तक, एक सुई आणि लाकडी काठीचा तुकडा.

• त्यांच्याभोवती पेन्सिल फिरवून वरील वस्तूंच्या आकाराचे तुमच्या नोटबुकमध्ये रेखाचित्र काढा.

• या सर्वांना निश्चित आकार, स्पष्ट सीमा आणि निश्चित आकारमान आहे का?

• जर त्यांना हातोड्याने मारले, ओढले किंवा पडू दिले तर काय होते?

• ते एकमेकांमध्ये विरघळण्यास सक्षम आहेत का?

• बल लावून त्यांना संपीडित करण्याचा प्रयत्न करा. तुम्ही त्यांना संपीडित करू शकता का?

वरील सर्व घनांची उदाहरणे आहेत. आपण पाहू शकतो की या सर्वांना एक निश्चित आकार, स्पष्ट सीमा आणि निश्चित आकारमान असते, म्हणजेच, नगण्य संपीड्यता असते. बाह्य बल लागू केले असता घनांना त्यांचा आकार टिकवून ठेवण्याची प्रवृत्ती असते. घन बलाखाली तुटू शकतात परंतु त्यांचा आकार बदलणे कठीण असते, म्हणून ते कठोर असतात.

पुढील गोष्टींचा विचार करा:

(अ) रबर बँडबद्दल काय, ती ताणल्यावर तिचा आकार बदलू शकते का? ती घन आहे का?

(ब) साखर आणि मीठ बद्दल काय? भिन्न भांड्यांमध्ये ठेवल्यावर ते भांड्याचा आकार घेतात. ते घन आहेत का?

(क) स्पंज बद्दल काय? तो घन आहे तरीही आपण त्याला संपीडित करू शकतो. का?

वरील सर्व घन आहेत कारण:

• रबर बँड बलाखाली आकार बदलते आणि बल काढून टाकल्यावर तोच आकार परत मिळवते. जर अतिरिक्त बल लावले तर ती तुटते.
• प्रत्येक साखर किंवा मीठ क्रिस्टलचा आकार निश्चित राहतो, मग आपण ते आपल्या हातात घेऊ, प्लेटमध्ये ठेवू किंवा भांड्यात ठेवू.
• स्पंजमध्ये सूक्ष्म छिद्रे असतात, ज्यामध्ये हवा अडकलेली असते, जेव्हा आपण त्यावर दाब देतो, तेव्हा हवा बाहेर पडते आणि आपण त्याला संपीडित करू शकतो.

१.३.२ द्रव अवस्था

क्रियाकलाप १.१०

• पुढील गोष्टी गोळा करा:

(अ) पाणी, शेती तेल, दूध, रस, एक कोल्ड ड्रिंक.

(ब) वेगवेगळ्या आकारांची भांडी. प्रयोगशाळेतील मापन सिलेंडर वापरून या भांड्यांवर $50 mL$ चिन्ह करा.

• जर हे द्रव जमिनीवर पडले तर काय होईल?

• कोणत्याही एका द्रवाचे $50 mL$ मोजा आणि ते एकामागून एक वेगवेगळ्या भांड्यांमध्ये हस्तांतरित करा.

• आकारमान तेच राहते का?

• द्रवाचा आकार तोच राहतो का?

• जेव्हा तुम्ही द्रव एका भांड्यातून दुसऱ्या भांड्यात ओतता, तेव्हा तो सहज वाहतो का?

आपण पाहतो की द्रवांना निश्चित आकार नसतो परंतु निश्चित आकारमान असते. ते ज्या भांड्यात ठेवले जातात त्या भांड्याचा आकार घेतात. द्रव वाहतात आणि आकार बदलतात, म्हणून ते कठोर नसतात परंतु त्यांना प्रवाही म्हटले जाऊ शकते.

क्रियाकलाप १.४ आणि १.५ चा संदर्भ घ्या जिथे आपण पाहिले की घन आणि द्रव द्रवांमध्ये विरघळू शकतात. वातावरणातील वायू पाण्यात विरघळतात आणि विरघळतात. हे वायू, विशेषतः ऑक्सिजन आणि कार्बन डायऑक्साइड, जलचर प्राणी आणि वनस्पतींच्या अस्तित्वासाठी आवश्यक आहेत.

सर्व सजीव प्राण्यांना जगण्यासाठी श्वास घेणे आवश्यक आहे. पाण्यात विरघळलेल्या ऑक्सिजनच्या उपस्थितीमुळे जलचर प्राणी पाण्याखाली श्वास घेऊ शकतात. अशाप्रकारे, आपण असा निष्कर्ष काढू शकतो की घन, द्रव आणि वायू द्रवांमध्ये विरघळू शकतात. द्रवांच्या विसरणाचा दर घन पदार्थांच्या तुलनेत जास्त असतो. याचे कारण असे आहे की द्रव अवस्थेत, कण मुक्तपणे हलतात आणि घन अवस्थेतील कणांच्या तुलनेत एकमेकांमध्ये जास्त अंतर असते.

१.३.३ वायू अवस्था

तुम्ही कधी एका गॅसच्या सिलेंडरमधून मोठ्या संख्येने फुगे भरणारा फुगेवाला पाहिला आहे का? त्याला विचारा की एका सिलेंडरमधून तो किती फुगे भरू शकतो. त्याला विचारा की सिलेंडरमध्ये कोणता वायू आहे.

क्रियाकलाप १.११

• तीन $100 mL$ सिरिंज घ्या आणि आकृती १.४ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे रबर कॉर्कने त्यांचे नॉजल बंद करा.

• सर्व सिरिंजमधून पिस्तुल काढा.

• एक सिरिंज अबाधित ठेवून, दुसऱ्यामध्ये पाणी आणि तिसऱ्यामध्ये खडूचे तुकडे भरा.

• सिरिंजमध्ये पिस्तुल परत घाला. त्यांच्या सहज हालचालीसाठी तुम्ही सिरिंजमध्ये घालण्यापूर्वी पिस्तुलवर थोडा वॅसलीन लावू शकता.

• आता, प्रत्येक सिरिंजमध्ये पिस्तुल ढकलून मजकूर संपीडित करण्याचा प्रयत्न करा.

आकृती १.४

• तुम्हाला काय दिसते? कोणत्या बाबतीत पिस्तुल सहज ढकलले गेले?

• तुमच्या निरीक्षणांवरून तुम्ही काय अनुमान काढता? आपण पाहिले आहे की घन आणि द्रवांच्या तुलनेत वायू अत्यंत संपीड्य असतात. आपल्या घरी स्वयंपाकासाठी मिळणारी द्रवीकृत पेट्रोलियम गॅस (एलपीजी) सिलेंडर किंवा रुग्णालयांमध्ये पुरवठा केलेली ऑक्सिजन सिलेंडर हे संपीडित वायू आहेत. संपीडित नैसर्गिक वायू (सीएनजी) आजकाल वाहनांमध्ये इंधन म्हणून वापरला जातो. त्याच्या उच्च संपीड्यतेमुळे, वायूचे मोठे प्रमाण एका लहान सिलेंडरमध्ये संकुचित केले जाऊ शकते आणि सहज वाहतूक केली जाऊ शकते.

स्वयंपाकघरात काय शिजवले जात आहे हे आपल्याला तिथे न गेल्याही आपल्या नाकापर्यंत पोहोचणाऱ्या वासावरून कळते. हा वास आपल्यापर्यंत कसा पोहोचतो? अन्नाच्या सुगंधाचे कण स्वयंपाकघरातून पसरणाऱ्या हवेच्या कणांमध्ये मिसळतात, आपल्यापर्यंत आणि आणखी दूरपर्यंत पोहोचतात. गरम शिजवलेल्या अन्नाचा वास सेकंदात आपल्यापर्यंत पोहोचतो; घन आणि द्रवांच्या विसरणाच्या दराशी याची तुलना करा. कणांच्या उच्च गती आणि त्यांच्यामध्ये मोठ्या अंतरामुळे, वायू इतर वायूंमध्ये अतिशय वेगाने विरघळण्याचा गुणधर्म दर्शवतात.

वायू अवस्थेत, कण उच्च गतीने यादृच्छिकपणे फिरत असतात. या यादृच्छिक हालचालीमुळे, कण एकमेकांवर आणि भांड्याच्या भिंतींवर आदळतात. वायूद्वारे भांड्याच्या भिंतींवर प्रति एकक क्षेत्रफळावर वायूच्या कणांद्वारे लावलेल्या या बलामुळे वायूद्वारे दबाव निर्माण होतो.

आकृती १.५: $a, b$ आणि $c$ पदार्थाच्या तीन अवस्थांची विस्तारित योजनाबद्ध चित्रे दाखवतात. पदार्थाच्या तीनही अवस्थांमध्ये कणांची हालचाल पाहता येते आणि तुलना करता येते.

१.४ पदार्थ त्याची अवस्था बदलू शकतो का?

आपल्या निरीक्षणावरून आपल्याला माहित आहे की पाणी पदार्थाच्या तीन अवस्थांमध्ये अस्तित्वात असू शकते-

• घन, बर्फ म्हणून,

• द्रव, परिचित पाणी म्हणून, आणि

• वायू, पाण्याची वाफ म्हणून.

अवस्था बदलताना पदार्थाच्या आत काय होते? अवस्था बदलताना पदार्थाच्या कणांचे काय होते? हा अवस्था बदल कसा होतो? आपल्याला या प्रश्नांची उत्तरे हवी आहेत, नाही का?

१.४.१ तापमान बदलाचा परिणाम

क्रियाकलाप १.१२

• बीकरमध्ये सुमारे $150 g$ बर्फ घ्या आणि प्रयोगशाळा थर्मामीटर अशा प्रकारे लटकवा की त्याचा बल्ब बर्फाला स्पर्श करेल, जसे आकृती १.६ मध्ये आहे.

(अ)

(ब)

आकृती १.६: (अ) बर्फाचे पाण्यात रूपांतर, (ब) पाण्याचे पाण्याच्या वाफेत रूपांतर

• बीकर कमी ज्योतीवर गरम करणे सुरू करा. बर्फ वितळायला लागतो तेव्हाचे तापमान लक्षात घ्या.

• सर्व बर्फ पाण्यात रूपांतरित झाल्यावरचे तापमान लक्षात घ्या.

• घन अवस्थेपासून द्रव अवस्थेत या रूपांतरासाठी तुमची निरीक्षणे नोंदवा.

• आता, बीकरमध्ये एक काचेची काठी ठेवा आणि पाणी उकळायला लागेपर्यंत ढवळत गरम करा.

• बहुतेक पाणी बाष्पीभवन होईपर्यंत थर्मामीटर रीडिंगवर काळजीपूर्वक लक्ष ठेवा.

• द्रव अवस्थेतील पाण्याच्या वायू अवस्थेत रूपांतरासाठी तुमची निरीक्षणे नोंदवा.

घन पदार्थांचे तापमान वाढवल्यास, कणांची गतिज ऊर्जा वाढते. गतिज ऊर्जा वाढल्यामुळे, कण जास्त वेगाने कंपन करू लागतात. उष्णतेने पुरविलेली ऊर्जा कणांमधील आकर्षण बलांवर मात करते. कण त्यांची निश्चित स्थाने सोडतात आणि अधिक मुक्तपणे हलू लागतात. एक अशी पातळी येते जेव्हा घन वितळतो आणि द्रवात रूपांतरित होतो. वातावरणाच्या दाबाने घन द्रवात वितळण्यासाठी जे किमान तापमान आवश्यक असते त्याला त्याचा द्रवणांक म्हणतात.

घन पदार्थाचा द्रवणांक हा त्याच्या कणांमधील आकर्षण ब