ઘન સ્થિતિ: લાક્ષણિકતાઓ અને પ્રકારો

ચોક્કસ, અહીં અપડેટ થયેલ અભ્યાસ નોંધો છે:

• ઘન સ્થિતિ

ઘન સ્થિતિના સામાન્ય લક્ષણો

• ઘન પદાર્થો ચોક્કસ આકાર, કદ અને જડતા ધરાવે છે.
• તેમની પાસે મજબૂત આંતર-આણ્વિક બળો અને ટૂંકા આંતર-આણ્વિક અંતર છે.
• તેમના ઘટક કણો (પરમાણુઓ, પરમાણુઓ અથવા આયનો) સ્થિતિમાં નિશ્ચિત હોય છે અને માત્ર તેમની સરેરાશ સ્થિતિ વિશે જ ઓસીલેટ કરી શકે છે.
• ઘન પદાર્થો અસંકોચનીય અને સખત હોય છે.

આકારહીન અને સ્ફટિકીય ઘન પદાર્થો

• આકારહીન ઘન પદાર્થો:
  • અનિયમિત આકાર ધરાવે છે.
  • ટૂંકા ગાળાનો ક્રમ છે.
  • તાપમાનની શ્રેણીમાં ઓગળે છે અને આઇસોટ્રોપિક હોય છે.
  • સુપરકૂલ્ડ પ્રવાહી અથવા સ્યુડો સોલિડ્સ ગણવામાં આવે છે.
  • કાચ, રબર અને પ્લાસ્ટિકનો સમાવેશ થાય છે.
• સ્ફટિકીય ઘન પદાર્થો:
  • ચોક્કસ ભૌમિતિક આકાર ધરાવે છે.
  • લાંબા ગાળાનો ક્રમ ધરાવે છે.
  • તીક્ષ્ણ ગલનબિંદુઓ અને એનિસોટ્રોપિક હોય છે.
  • સોડિયમ ક્લોરાઇડ, ક્વાર્ટઝ અને હીરાનો સમાવેશ થાય છે.

ક્રિસ્ટલાઇન ઘન પદાર્થોના પ્રકાર

• મોલેક્યુલર ઘન પદાર્થો:
  • નબળા વેન ડર વાલ્સ દળો દ્વારા એકસાથે રાખવામાં આવે છે.
  • નરમ હોય છે અને તેમાં નીચા ગલનબિંદુઓ હોય છે.
  • બિન-ધ્રુવીય (દા.ત., આર્ગોન, એચ2), ધ્રુવીય (દા.ત., એચસીએલ, એસઓ2) અને હાઇડ્રોજન-બોન્ડેડ (દા.ત., બરફ) પ્રકારો અસ્તિત્વ ધરાવે છે.
• આયનીય ઘન પદાર્થો:
  • મજબૂત ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક દળો દ્વારા એકસાથે રાખવામાં આવે છે.
  • ઊંચા ગલનબિંદુઓ સાથે સખત અને બરડ છે.
  • ઘન સ્થિતિમાં ઇન્સ્યુલેટર હોય છે પરંતુ ઓગળેલી સ્થિતિમાં અથવા પાણીમાં ઓગળેલા હોય ત્યારે વીજળીનું સંચાલન કરે છે (દા.ત., NaCl, MgO).
• ધાતુના ઘન પદાર્થો:
  • ડિલોકલાઇઝ્ડ ઇલેક્ટ્રોનના સમૂહથી ઘેરાયેલા હકારાત્મક આયનોનો સમાવેશ થાય છે.
  • સારી વિદ્યુત અને થર્મલ વાહકતા હોય છે.
  • ધાતુની ચમક ધરાવે છે અને તે મજબૂત અને નરમ હોય છે (દા.ત., તાંબુ, આયર્ન, ચાંદી).
• કોવેલેન્ટ અથવા નેટવર્ક ઘન પદાર્થો:
  • પરમાણુઓ સમગ્ર સ્ફટિકમાં કોવેલેન્ટ બોન્ડ દ્વારા જોડાયેલા છે.
  • ખૂબ જ ઊંચા ગલનબિંદુઓ સાથે ખૂબ જ સખત હોય છે.
  • ઇન્સ્યુલેટર (દા.ત., હીરા) અથવા સેમિકન્ડક્ટર (દા.ત., સિલિકોન) છે.

ક્રિસ્ટલ જાળી અને એકમ કોષો

• ક્રિસ્ટલ જાળી:
  • અવકાશમાં બિંદુઓની નિયમિત ત્રિ-પરિમાણીય ગોઠવણી.
• એકમ કોષ:
  • સ્ફટિક જાળીમાં સૌથી નાનો પુનરાવર્તિત એકમ.
• એકમ કોષના પરિમાણો:
  • ધારની લંબાઈ (a, b, c) અને ધાર વચ્ચેના ખૂણા (α, β, γ).

એકમ કોષોના પ્રકાર

• આદિમ એકમ કોષ:
  • પ્રતિ એકમ કોષમાં એક જાળી બિંદુ સમાવે છે.
  • જાળી બિંદુઓ ફક્ત ખૂણા પર જ હોય છે.
• કેન્દ્રિત એકમ કોષ:
  • ખૂણા પરના લોકો ઉપરાંત વધારાના જાળી બિંદુઓ સમાવે છે.
  • બોડી-સેન્ટર્ડ (BCC), ફેસ-સેન્ટર્ડ (FCC), અને એન્ડ-સેન્ટર્ડ પ્રકારો અસ્તિત્વ ધરાવે છે.

એક એકમ કોષમાં પરમાણુઓની સંખ્યા

• આદિમ ઘન એકમ કોષ:
  • દરેક 8 ખૂણા પર 1/8 પરમાણુ હોય છે, જે પ્રતિ એકમ કોષમાં કુલ 1 પરમાણુ બનાવે છે.
• બોડી-સેન્ટર્ડ ક્યુબિક (BCC) યુનિટ સેલ:
  • દરેક 8 ખૂણા પર 1/8 પરમાણુ અને શરીરના કેન્દ્રમાં 1 પરમાણુ હોય છે, જે પ્રતિ એકમ કોષમાં કુલ 2 પરમાણુ બનાવે છે.
• ફેસ-સેન્ટર્ડ ક્યુબિક (FCC) યુનિટ સેલ:
  • દરેક 8 ખૂણા પર 1/8 પરમાણુ અને દરેક 6 ચહેરા પર 1/2 પરમાણુ હોય છે, જે પ્રતિ એકમ કોષમાં કુલ 4 પરમાણુ બનાવે છે.

ક્લોઝ-પેક્ડ સ્ટ્રક્ચર્સ

• એક પરિમાણમાં ક્લોઝ પેકિંગ:
  • ગોળા એકબીજાને સ્પર્શીને હરોળમાં ગોઠવાયેલા છે.
• બે પરિમાણમાં ક્લોઝ પેકિંગ:
  • સ્ક્વેર ક્લોઝ પેકિંગ: સંલગ્ન હરોળમાં ગોળા એકબીજાની બરાબર ઉપર મૂકવામાં આવે છે.
  • હેક્ઝાગોનલ ક્લોઝ પેકિંગ: સંલગ્ન હરોળમાં ગોળા પ્રથમ હરોળના ડિપ્રેશનમાં મૂકવામાં આવે છે.
• ત્રણ પરિમાણમાં ક્લોઝ પેકિંગ:
  • હેક્ઝાગોનલ ક્લોઝ-પેક્ડ (HCP) સ્ટ્રક્ચર:
    • બીજા સ્તરના ગોળા પ્રથમ સ્તરના ટેટ્રાહેડ્રલ છિદ્રો ઉપર મૂકવામાં આવે છે.
    • ત્રીજું સ્તર પ્રથમ સ્તરની બરાબર ઉપર મૂકવામાં આવે છે.
    • સંકલન નંબર 12 છે.
  • ક્યુબિક ક્લોઝ-પેક્ડ (CCP) અથવા ફેસ-સેન્ટર્ડ ક્યુબિક (FCC) સ્ટ્રક્ચર:
    • બીજા સ્તરના ગોળા પ્રથમ સ્તરના ટેટ્રાહેડ્રલ છિદ્રો ઉપર મૂકવામાં આવે છે.
    • ત્રીજું સ્તર ઓક્ટાહેડ્રલ છિદ્રો ઉપર મૂકવામાં આવે છે.
    • સંકલન નંબર 12 છે.
    • સ્ટેકીંગ પેટર્ન ABCABC છે.

ટેટ્રાહેડ્રલ અને ઓક્ટાહેડ્રલ વોઇડ્સ

• ટેટ્રાહેડ્રલ વોઇડ:
  • ચાર ગોળાથી ઘેરાયેલું છિદ્ર.
  • પ્રથમ સ્તરમાં દરેક ગોળાના કેન્દ્રની ઉપર અથવા નીચે સ્થિત છે.
• ઓક્ટાહેડ્રલ વોઇડ:
  • છ ગોળાથી ઘેરાયેલું છિદ્ર.
  • ક્યુબિક સ્ટ્રક્ચરના શરીરના કેન્દ્ર અને ધારના કેન્દ્રો પર સ્થિત છે.
• ખાલી જગ્યાઓની સંખ્યા:
  • ટેટ્રાહેડ્રલ ખાલી જગ્યાઓની સંખ્યા = 2N
  • ઓક્ટાહેડ્રલ ખાલી જગ્યાઓની સંખ્યા = N, જ્યાં N એ ક્લોઝ-પેક્ડ ગોળાઓની સંખ્યા છે.

પેકિંગ કાર્યક્ષમતા

• પેકિંગ કાર્યક્ષમતા:
  • કણો દ્વારા ભરાયેલી કુલ જગ્યાની ટકાવારી.
• સાદા ક્યુબિક સ્ટ્રક્ચરમાં પેકિંગ કાર્યક્ષમતા:
  • આશરે 52.4%.
• બોડી-સેન્ટર્ડ ક્યુબિક (BCC) સ્ટ્રક્ચરમાં પેકિંગ કાર્યક્ષમતા:
  • આશરે 68%.
• ફેસ-સેન્ટર્ડ ક્યુબિક (FCC) અથવા ક્યુબિક ક્લોઝ-પેક્ડ (CCP) સ્ટ્રક્ચરમાં પેકિંગ કાર્યક્ષમતા:
  • આશરે 74%.
• હેક્ઝાગોનલ ક્લોઝ-પેક્ડ (HCP) સ્ટ્રક્ચરમાં પેકિંગ કાર્યક્ષમતા:
  • આશરે 74%.

યુનિટ સેલ પરિમાણોને લગતી ગણતરીઓ

• ધારની લંબાઈ (a) અને ત્રિજ્યા (r) વચ્ચેનો સંબંધ:
  • સાદો ક્યુબિક: a = 2r
  • BCC: a = 4r/√3
  • FCC: a = 2√2r
• એકમ કોષની ઘનતા (ρ):
  • ρ = (Z × M) / (a³ × Nᴀ)
    • જ્યાં:
      • Z એ પ્રતિ એકમ કોષમાં પરમાણુઓની સંખ્યા છે.
      • M એ મોલર માસ છે.
      • a એ ધારની લંબાઈ છે.
      • Nᴀ એ એવોગાદ્રોનો અંક છે.

ઘન પદાર્થોમાં અપૂર્ણતા

• બિંદુ ખામીઓ:
  • ખાલી જગ્યા ખામી:
    • એક પરમાણુ તેની જાળી સાઇટમાંથી ખૂટે છે.
    • પદાર્થના ઘનતાને ઘટાડે છે.
  • આંતરશાહી ખામી:
    • એક પરમાણુ આંતરશાહી સ્થળ પર કબજો કરે છે.
    • પદાર્થના ઘનતામાં વધારો કરે છે.
• અશુદ્ધિ ખામીઓ:
  • અવેજી અશુદ્ધિ:
    • વિદેશી પરમાણુઓ યજમાન પરમાણુઓના સ્થાને જાળી સાઇટ્સ પર કબજો કરે છે.
  • આંતરશાહી અશુદ્ધિ:
    • વિદેશી પરમાણુઓ આંતરશાહી સાઇટ્સ પર કબજો કરે છે.
• શોટકી ખામી:
  • સમાન સંખ્યામાં કેટાયન અને એનાયન તેમની જાળી સાઇટ્સમાંથી ખૂટે છે.
  • પદાર્થના ઘનતાને ઘટાડે છે.
  • ઉચ્ચ સંકલન સંખ્યાવાળા આયનીય સંયોજનોમાં સામાન્ય.
• ફ્રેન્કલ ખામી:
  • એક આયન તેની જાળી સાઇટથી આંતરશાહી સ્થળ પર વિસ્થાપિત થાય છે.
  • પદાર્થની ઘનતા યથાવત રહે છે.
  • કેટાયન અને એનાયન વચ્ચેના કદના મોટા તફાવતવાળા આયનીય સંયોજનોમાં સામાન્ય.

વિદ્યુત ગુણધર્મો

• વાહક:
  • એવા પદાર્થો જેમાંથી વિદ્યુત પ્રવાહ સરળતાથી વહી શકે છે.
  • ઓવરલેપિંગ વેલેન્સ અને કન્ડક્શન બેન્ડ્સ હોય છે, અથવા તેમની વચ્ચે ખૂબ જ નાનું અંતર હોય છે.
• ઇન્સ્યુલેટર:
  • એવા પદાર્થો જેમાંથી વિદ્યુત પ્રવાહ વહી શકતો નથી.
  • વેલેન્સ અને કન્ડક્શન બેન્ડ્સ વચ્ચે મોટો ઊર્જા ગેપ હોય છે.
• સેમિકન્ડક્ટર:
  • વાહક અને ઇન્સ્યુલેટર વચ્ચે વાહકતાવાળા પદાર્થો.
  • તાપમાન સાથે વાહકતા વધે છે.
• આંતરિક સેમિકન્ડક્ટર:
  • ઓછી વાહકતા સાથે શુદ્ધ સેમિકન્ડક્ટર.
  • વાહકતા થર્મલી ઉત્તેજિત ઇલેક્ટ્રોનને કારણે છે.
• બાહ્ય સેમિકન્ડક્ટર:
  • વાહકતા વધારવા માટે અશુદ્ધિઓ સાથે ડોપ કરેલા સેમિકન્ડક્ટર્સ.
    • એન-ટાઇપ સેમિકન્ડક્ટર:
      • ઇલેક્ટ્રોન-સમૃદ્ધ અશુદ્ધિઓ સાથે ડોપ કરવામાં આવે છે (દા.ત., ફોસ્ફરસ સાથે ડોપ કરેલું સિલિકોન).
      • વાહકતા વધારાના ઇલેક્ટ્રોનની હાજરીને કારણે છે.
    • પી-ટાઇપ સેમિકન્ડક્ટર:
      • ઇલેક્ટ્રોન-અભાવગ્રસ્ત અશુદ્ધિઓ સાથે ડોપ કરવામાં આવે છે (દા.ત., બોરોન સાથે ડોપ કરેલું સિલિકોન).
      • વાહકતા છિદ્રો (ઇલેક્ટ્રોન ખાલી જગ્યાઓ) ની હાજરીને કારણે છે.

ચુંબકીય ગુણધર્મો

• ડાયમેગ્નેટિક પદાર્થો:
  • ચુંબકીય ક્ષેત્ર દ્વારા નબળા રીતે ભગાડવામાં આવે છે.
  • બધા ઇલેક્ટ્રોન જોડી બનાવે છે (દા.ત., TiO2, NaCl).
• પેરામેગ્નેટિક પદાર્થો:
  • ચુંબકીય ક્ષેત્ર દ્વારા નબળા રીતે આકર્ષાય છે.
  • અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રોન હોય છે (દા.ત., O2, Cu2+).
• ફેરોમેગ્નેટિક પદાર્થો:
  • ચુંબકીય ક્ષેત્ર દ્વારા મજબૂત રીતે આકર્ષાય છે અને કાયમી ધોરણે ચુંબકીય થઈ શકે છે.
  • બધા ઇલેક્ટ્રોન એક જ દિશામાં સંરેખિત થાય છે (દા.ત., Fe, Co, Ni).
• એન્ટિફેરોમેગ્નેટિક પદાર્થો:
  • અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રોન વિરુદ્ધ દિશામાં સંરે