हमारी पिछली अध्ययनों से ज्ञात है कि तरल और गैसों को तरल पदार्थ कहा जाता है क्योंकि उनकी गतिशीलता के कारण। इन दोनों अवस्थाओं में तरलता उन अवस्थाओं के कारण है जहाँ अवयव आणविक इकाइयों को आसपास जाने-आने में स्वतंत्र हैं। विपरीत ठोसों के अवयव इकाइयाँ स्थिर स्थान पर हैं और अपने माध्यमिक स्थानों के चारों ओर केवल दोलन कर सकते हैं। यह ठोसों की दृढ़ता को समझाता है। इन गुणों पर अवयव इकाइयों के प्रकार और उनके बीच बाधा बलों पर निर्भर है। संरचना और गुणों के बीच संबंध की जानकारी इच्छित गुणों वाले नए ठोस पदार्थों की खोज में मदद करती है। उदाहरण के लिए, कार्बन नाइट्रॉब्यूट्स नए पदार्थ हैं जो तेलजात स्टील से भी मजबूत, एल्युमिनियम से भी 가벼운 और तांबे की तुलना में अधिक चुंबकीय गुण वाले मद प्रदान करने की क्षमता रखते हैं। ऐसे पदार्थ वैज्ञानिक और सामाजिक विकास में विस्तार प्राप्त कर सकते हैं। कुछ अन्य पदार्थ जो भविष्य में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकते हैं, वे उच्च तापमान पर चुंबकीय प्रतिरोधक, चुंबकीय पदार्थ, पैकेजिंग के लिए जैव विघटन योग्य पॉलिमर, चिकित्सा इम्प्लांट्स के लिए जैव-संगत ठोस, आदि हैं। इस प्रकार, इस अवस्था का अध्ययन वर्तमान परिस्थिति में अधिक महत्वपूर्ण है।

इस युनिट में, हम अवयवों के विभिन्न संभव व्यवस्थित क्रमों के परिणामस्वरूप कई प्रकार की संरचनाओं पर चर्चा करेंगे और यह जानेंगे कि संरचनात्मक इकाइयों के विभिन्न व्यवस्थित क्रम ठोसों को कैसे विभिन्न गुणों से लैस करते हैं। हम यहाँ तक सीखेंगे कि इन गुणों को संरचनात्मक अशुद्धियों या कम मात्रा में प्रभावों के कारण कैसे संशोधित किया जाता है।

1.1 ठोस अवस्था के सामान्य गुण

कक्षा XI में आपने सीखा था कि द्रव्यमान तीन अवस्थाओं में स्थित हो सकता है, अर्थात् ठोस, तरल और गैस। एक दिए गए तापमान और दबाव के समीकरणों के तहत, दिए गए पदार्थ की सबसे स्थिर अवस्था दो विरोधी कारकों के समग्र प्रभाव पर निर्भर है। इन दोनों ही कारकों में से एक आणविक बल है जो अवयवों (या परमाणुओं या आयनों) को जुड़ा रहने की ओर इशारा करता है, और दूसरा ऊष्मागतिक ऊर्जा है, जो उन्हें दूर रखने की ओर इशारा करता है जब उन्हें तेजी से गति दी जाती है। पर्याप्त रूप से निचले तापमान पर, ऊष्मागतिक ऊर्जा कम होती है और आणविक बल उन्हें इतने पास लाते हैं कि वे एक-दूसरे से जुड़ जाते हैं और स्थिर स्थान पर रहते हैं। ये अभी भी अपने माध्यमिक स्थानों के चारों ओर दोलन कर सकते हैं और पदार्थ ठोस अवस्था में होता है।

ठोस अवस्था के निम्नलिखित विशेषताएँ हैं:

• (i) उनका निश्चित द्रव्यमान, आयतन और रूप होता है।
• (ii) आणविक दूरी कम होती है।
• (iii) आणविक बल मजबूत होते हैं।
• (iv) उनके अवयव इकाइयाँ (परमाणु, आणविक इकाई या आयन) स्थिर स्थान पर हैं और केवल अपने माध्यमिक स्थानों के चारों ओर दोलन कर सकते हैं।
• (v) वे संपीड़नीय नहीं हैं और दृढ़ हैं।

1.2 अजृम्भित और ब्राइस्टल ठोस

ठोसों को उनके अवयव इकाइयों की व्यवस्था में मौजूद क्रम के प्रकार के आधार पर ब्राइस्टल या अजृम्भित दोनों प्रकार के माना जाता है। ब्राइस्टल ठोस आमतौर पर बहुत अधिक संख्या में छोटे-छोटे ब्राइस्टल से बना होता है, जिनमें प्रत्येक के पास एक निश्चित ज्यामितिक रूप होता है। ब्राइस्टल में अवयव इकाइयों (परमाणु, आणविक इकाई या आयन) की व्यवस्था क्रमशः तीन आयामों में व्यवस्थित और दोहराव दर्शाती है। यदि हम ब्राइस्टल के किसी भी एक क्षेत्र को देखते हैं, तो हम उस दृश्य स्थान से बहुत दूर भी होने पर भी अनुमान लगा सकते हैं कि अन्य क्षेत्र में अवयव कहाँ स्थित हैं। इस प्रकार, ब्राइस्टल में लंबी दृष्टि का क्रम होता है जिसका अर्थ है कि अवयवों की व्यवस्था ब्राइस्टल के सभी क्षेत्रों में नियमित ढंग से दोहराव दर्शाती है। नाटरल सल्फेट और क्वार्ट्ज ब्राइस्टल ठोसों के प्राकृतिक उदाहरण हैं। कांच, रब्बर और कई प्लास्टिक अपने तरल अवस्था से ठोस अवस्था में ठोसीकरण होने पर ब्राइस्टल नहीं बनाते। इन्हें अजृम्भित ठोस कहा जाता है। अजृम्भित शब्द ग्रीक शब्द ‘amorphos’ से आता है जिसका अर्थ है ‘कोई रूप नहीं’। ऐसे ठोसों में अवयव इकाइयों (परमाणु, आणविक इकाई या आयन) की व्यवस्था केवल छोटी दृष्टि का क्रम होता है। ऐसी व्यवस्था में, नियमित और आवर्ती दोहराव केवल छोटी दूरी तक देखा जाता है। नियमित पैटर्न छिटके हुए होते हैं और उनके बीच व्यवस्था अनियमित होती है। क्वार्ट्ज (ब्राइस्टल) और क्वार्ट्ज ग्लास (अजृम्भित) की संरचनाएँ आदर्श 1.1 (ए) और (बी) में दर्शाई गई हैं।

दोनों संरचनाएँ अधिकांशतः समान हैं, लेकिन अजृम्भित क्वार्ट्ज ग्लास के मामले में लंबी दृष्टि का क्रम मौजूद नहीं है। अजृम्भित ठोसों की संरचना तरल पदार्थों की संरचना से समान होती है। अवयव इकाइयों की व्यवस्था में अंतर के कारण, दोनों प्रकार के ठोसों में उनके गुणों में अंतर होता है।

ब्राइस्टल ठोसों के पास तीव्र पीक परिस्थिति होती है। एक विशिष्ट तापमान पर वे अचानक पिघल जाते हैं और तरल अवस्था में बदल जाते हैं। दूसरी ओर, अजृम्भित ठोसों को धीरे-धीरे पीछे हटाया जाता है, तापमान की एक श्रृंखला में पिघलते हैं और विभिन्न रूपों में ढाल और फैला सकते हैं। अजृम्भित ठोसों के पास तरल पदार्थों की समान संरचनात्मक विशेषताएँ होती हैं और उन्हें अत्यधिक दाबी वाले तरल पदार्थ के रूप में सुलभ माना जाता है। कुछ तापमान पर वे ब्राइस्टल बन जाते हैं। कुछ प्राचीन सभ्यताओं के कांच के वस्तुएँ कुछ ब्राइस्टलीकरण के कारण अपने रंग में धुंधले दिखने लगते हैं। तरल पदार्थों की तरह, अजृम्भित ठोसों के पास धीमी गति से प्रवाहित होने की प्रवृत्ति होती है। इसलिए, कभी-कभी इन्हें काल्पनिक ठोस या सुपर कंडेंस्ड तरल पदार्थ कहा जाता है।

अजृम्भित ठोसों की प्रकृति समानतावादी होती है। उनके गुण जैसे कि यांत्रिक शक्ति, प्रकाशिक अनुपात और विद्युत प्रतिरोधकता आदि सभी दिशाओं में समान होते हैं। यह इसलिए है क्योंकि उनमें लंबी दृष्टि का क्रम नहीं है और अवयवों की व्यवस्था सभी दिशाओं में निश्चित नहीं है। इसलिए, समग्र व्यवस्था सभी दिशाओं में समान अर्थात् समतल हो जाती है। इसलिए, किसी भी भौतिक गुण का मान किसी भी दिशा में समान होगा।

ब्राइस्टल ठोसों की प्रकृति असमानतावादी होती है, अर्थात् विद्युत प्रतिरोधकता या प्रकाशिक अनुपात आदि गुण एक ही ब्राइस्टल में अलग-अलग दिशाओं में मापे जाने पर अलग-अलग मान दिखाते हैं। यह अलग-अलग दिशाओं में अवयवों की अलग-अलग व्यवस्था के कारण होता है। यह आदर्श 1.2 में दर्शाया गया है। इस आदर्श में दो प्रकार के परमाणुओं की एक सरल द्वि-आयामी व्यवस्था का प्रदर्शन किया गया है। यांत्रिक गुण जैसे कि स्कियरिंग दबाव के प्रति प्रतिरोध दोनों दिशाओं में अलग-अलग हो सकता है। आदर्श में दर्शाए गए दोनों दिशाओं में अंतर है। CD दिशा में विकृति दो अलग-अलग प्रकार के परमाणुओं वाली पंक्ति को स्थानांतरित करती है, जबकि AB दिशा में एकल प्रकार के परमाणुओं वाली पंक्तियाँ स्थानांतरित होती हैं। ब्राइस्टल ठोसों और अजृम्भित ठोसों के बीच अंतरों का सारांश टेबल 1.1 में दिया गया है।

ब्राइस्टल और अजृम्भित ठोसों के अतिरिक्त, कुछ ठोस अपेक्षाकृत अजृम्भित लगते हैं लेकिन उनके पास सूक्ष्म-ब्राइस्टल संरचना होती है। ये ठोस ज्वलंत ठोस कहलाते हैं। धातुएँ अक्सर ज्वलंत ठोस की अवस्था में मिलती हैं। व्यक्तिगत ब्राइस्टल यादृच्छिक दिशा में बने होते हैं, इसलिए एक धातु की नमूना एकल ब्राइस्टल के रूप में असमानतावादी होने के बावजूद समानतावादी लग सकती है।

1.3 ब्राइस्टल ठोसों का वर्गीकरण

1.2 धारा में हमने अजृम्भित पदार्थों के बारे में सीखा था और उनके पास केवल छोटी दृष्टि का क्रम होता है। हालाँकि, अधिकांश ठोस पदार्थ ब्राइस्टल प्रकार के होते हैं। उदाहरण के लिए, आयरन, तांबा और चांदी जैसी सभी धातु तत्व; सल्फर, फास्फरस और आयोडीन जैसे गैर-धातु तत्व और नाटरल सल्फेट, जिंक सल्फेट और नफ़थलीन जैसे यौगिक ब्राइस्टल ठोस बनाते हैं।

ब्राइस्टल ठोसों को विभिन्न तरीकों से वर्गीकृत किया जा सकता है। इस तरीके पर आधारित होता है कि हमारे इच्छित उद्देश्य क्या है। यहाँ, हम ब्राइस्टल ठोसों को उनके अवयव इकाइयों को एक-दूसरे से जोड़ने वाले आणविक बलों या बाँधों के प्रकार के आधार पर वर्गीकृत करेंगे। इनमें से हैं —