भाग १: धातू आणि अधातू (Metals and Non-metals)
धातू (Metals)
व्याख्या: असे मूलद्रव्य जे सहजरित्या इलेक्ट्रॉन गमावतात आणि धन आयन (positive ions) तयार करतात. ते सहसा कठीण, चकाकणारे आणि विद्युत व उष्णतेचे सुवाहक असतात.
उदाहरणे: लोह (Iron), तांबे (Copper), सोने (Gold), चांदी (Silver), ॲल्युमिनियम (Aluminium), मॅग्नेशियम (Magnesium), सोडियम (Sodium), कॅल्शियम (Calcium).
अधातू (Non-metals)
व्याख्या: असे मूलद्रव्य जे सहजरित्या इलेक्ट्रॉन स्वीकारतात आणि ऋण आयन (negative ions) तयार करतात. ते सहसा मऊ, ठिसूळ असतात आणि विद्युत व उष्णतेचे दुर्वाहक असतात.
उदाहरणे: कार्बन (Carbon), सल्फर (Sulfur), फॉस्फरस (Phosphorus), ऑक्सिजन (Oxygen), हायड्रोजन (Hydrogen), नायट्रोजन (Nitrogen), क्लोरीन (Chlorine).
भाग २: धातू आणि अधातूंचे भौतिक गुणधर्म (Physical Properties)
१. चकाकी (Lustre)
धातू: धातूंना चकाकी असते. त्यांच्या पृष्ठभागावरून प्रकाश परावर्तित होतो, ज्यामुळे ते चमकदार दिसतात. (उदा. सोने, चांदी, तांबे).
अधातू: अधातूंना चकाकी नसते. ते निस्तेज दिसतात.
२. कठीणपणा (Hardness)
धातू: बहुतेक धातू कठीण असतात. (उदा. लोह, ॲल्युमिनियम). त्यांची कठीणता वेगवेगळी असू शकते.
अधातू: बहुतेक अधातू मऊ असतात. (उदा. सल्फर, फॉस्फरस).
३. वर्धनीयता (Malleability)
व्याख्या: हा असा गुणधर्म आहे ज्यामुळे पदार्थाला ठोकून त्याचे पातळ पत्रे बनवता येतात.
धातू: धातू वर्धनीय असतात. (उदा. सोन्या-चांदीचे वर्क, ॲल्युमिनियम फॉईल).
अधातू: अधातू ठिसूळ (brittle) असतात. ते वर्धनीय नसतात. ठोकल्यावर त्यांचे तुकडे होतात. (उदा. कोळसा).
४. तन्यता (Ductility)
व्याख्या: हा असा गुणधर्म आहे ज्यामुळे पदार्थाला खेचून त्याच्या बारीक तारा बनवता येतात.
धातू: धातू तन्य असतात. (उदा. तांब्याच्या तारा, सोन्याचे दागिने).
अधातू: अधातू तन्य नसतात.
५. उष्णता वाहकता (Heat Conductivity)
धातू: धातू उष्णतेचे सुवाहक (Good Conductors) असतात. ते उष्णता सहज वाहून नेतात. (उदा. स्वयंपाकाची भांडी तांबे, ॲल्युमिनियमची बनवतात).
अधातू: अधातू उष्णतेचे दुर्वाहक (Insulators) असतात.
६. विद्युत वाहकता (Electrical Conductivity)
धातू: धातू विजेचे सुवाहक असतात. (उदा. तांबे आणि ॲल्युमिनियमच्या तारा).
अधातू: अधातू विजेचे दुर्वाहक असतात.
७. अवस्था (State at Room Temperature)
धातू: बहुतेक सर्व धातू कक्ष तापमानाला स्थायू (Solid) अवस्थेत असतात.
अधातू: अधातू कक्ष तापमानाला तिन्ही अवस्थांमध्ये (स्थायू, द्रव, वायू) आढळतात.
स्थायू: कार्बन, सल्फर, फॉस्फरस.
द्रव: ब्रोमीन.
वायू: ऑक्सिजन, हायड्रोजन, नायट्रोजन.
८. नादमयता (Sonority)
व्याख्या: पदार्थावर आघात केल्यास ध्वनी (रिंगिंग साउंड) निर्माण होण्याचा गुणधर्म.
धातू: धातू नादमय असतात. (उदा. शाळेची घंटा).
अधातू: अधातू नादमय नसतात.
भौतिक गुणधर्मांमधील महत्त्वाचे अपवाद (Important Exceptions)
पारा (Mercury): हा एकमेव धातू आहे जो कक्ष तापमानाला द्रव (Liquid) अवस्थेत असतो.
सोडियम (Na) आणि पोटॅशियम (K): हे धातू असूनही इतके मऊ (Soft) असतात की ते चाकूने कापता येतात. तसेच त्यांची घनता पाण्यापेक्षा कमी असते.
ग्राफाइट (Graphite): हे कार्बनचे (अधातू) अपरूप आहे, पण ते विजेचे सुवाहक (Good Conductor) आहे. (उदा. पेन्सिल लीड, इलेक्ट्रोड).
हिरा (Diamond): हे देखील कार्बनचे (अधातू) अपरूप आहे, पण हा ज्ञात असलेला सर्वात कठीण (Hardest) नैसर्गिक पदार्थ आहे.
आयोडीन (Iodine): हा अधातू असूनही त्याला धातूंप्रमाणे चकाकी (Lustre) असते.
ब्रोमीन (Bromine): हा एकमेव अधातू आहे जो कक्ष तापमानाला द्रव (Liquid) अवस्थेत असतो.
गॅलियम (Gallium) आणि सीझियम (Caesium): हे धातू आहेत पण त्यांचा द्रवणांक (Melting Point) खूप कमी असतो. ते हाताच्या तळव्यावर ठेवल्यास वितळतात.
भाग ३: धातू आणि अधातूंचे रासायनिक गुणधर्म (Chemical Properties)
१. ऑक्सिजनसोबत अभिक्रिया (Reaction with Oxygen)
धातू + ऑक्सिजन → धातूचे ऑक्साईड (Metal Oxide)
उदाहरण १: मॅग्नेशियमची फीत हवेत जाळल्यास (ऑक्सिजन) मॅग्नेशियम ऑक्साईड (MgO) तयार होते.
2Mg + O2-> 2MgO
धातूंची ऑक्साइडे (Metal Oxides):
ही ऑक्साइडे सामान्यतः आम्लारीधर्मी (Basic) असतात.
ती पाण्यात विरघळून आम्लारी (Base/Alkali) तयार करतात.
MgO + H_2O -> Mg(OH)2 (मॅग्नेशियम हायड्रॉक्साईड)
लिटमस चाचणी: आम्लारीधर्मी ऑक्साइडे लाल लिटमसला निळे करतात.
उदाहरण २: लोखंड (Fe) हवा आणि आर्द्रतेच्या संपर्कात आल्यावर त्यावर गंज (Rust) चढतो, जो आयर्न ऑक्साईड (Fe₂O₃) असतो.
अधातू + ऑक्सिजन → अधातूचे ऑक्साईड (Non-metal Oxide)
उदाहरण: सल्फर (गंधक) हवेत जाळल्यास सल्फर डायऑक्साइड (SO₂) वायू तयार होतो.
S + O2 -> SO2
अधातूंची ऑक्साइडे (Non-metal Oxides):
ही ऑक्साइडे सामान्यतः आम्लधर्मी (Acidic) असतात.
ती पाण्यात विरघळून आम्ल (Acid) तयार करतात.
SO_2 + H_2O -> H_2SO3 (सल्फ्युरस ऍसिड)
लिटमस चाचणी: आम्लधर्मी ऑक्साइडे निळ्या लिटमसला लाल करतात.
उदाहरण २: CO2 + H_2O -> H_2CO3 (कार्बोनिक ऍसिड)
उभयधर्मी ऑक्साइडे (Amphoteric Oxides):
काही धातूंची ऑक्साइडे (उदा. ॲल्युमिनियम ऑक्साईड - Al2O3झिंक ऑक्साईड - ZnO) आम्ल आणि आम्लारी अशा दोन्हींसोबत अभिक्रिया करतात. त्यांना उभयधर्मी ऑक्साइडे म्हणतात.
२. पाण्यासोबत अभिक्रिया (Reaction with Water)
धातू + पाणी → धातूचे हायड्रॉक्साईड/ऑक्साईड + हायड्रोजन वायू
सोडियम (Na) आणि पोटॅशियम (K): हे अतिशय क्रियाशील धातू आहेत. ते थंड पाण्यासोबत तीव्रतेने अभिक्रिया करतात आणि हायड्रोजन वायू पेट घेतो (उष्णता निर्माण होते).
2Na + 2H2O -> 2NaOH + H2 + उष्णता
म्हणूनच त्यांना रॉकेलमध्ये (Kerosene) ठेवतात.
कॅल्शियम (Ca): थंड पाण्यासोबत अभिक्रिया करतो, पण कमी तीव्रतेने. निर्माण होणारा हायड्रोजन वायू कॅल्शियमच्या पृष्ठभागाला चिकटतो, ज्यामुळे तो पाण्यावर तरंगतो.
मॅग्नेशियम (Mg): थंड पाण्याशी अभिक्रिया करत नाही, पण गरम पाण्याशी अभिक्रिया करून मॅग्नेशियम हायड्रॉक्साईड तयार करतो.
ॲल्युमिनियम (Al), लोह (Fe), झिंक (Zn): हे धातू थंड किंवा गरम पाण्याशी अभिक्रिया करत नाहीत. ते फक्त पाण्याच्या वाफेशी (Steam) अभिक्रिया करतात.
तांबे (Cu), सोने (Au), चांदी (Ag): हे धातू पाण्याशी अजिबात अभिक्रिया करत नाहीत.
अधातू: सामान्यतः पाण्याशी अभिक्रिया करत नाहीत.
अपवाद: फॉस्फरस (Phosphorus) हा अति क्रियाशील अधातू आहे. तो हवेच्या संपर्कात आल्यास पेट घेतो, म्हणून त्याला पाण्यात ठेवतात.
३. आम्लांसोबत अभिक्रिया (Reaction with Acids)
धातू + विरल आम्ल (Dilute Acid) → क्षार (Salt) + हायड्रोजन वायू (H₂)
ही अभिक्रिया धातूच्या क्रियाशीलतेवर अवलंबून असते.
उदाहरण: $Zn (झिंक) + 2HCl (हायड्रोक्लोरिक ऍसिड) ->ZnCl2(झिंक क्लोराईड)}+ H2
हायड्रोजन वायूची चाचणी: जळती काडी वायूजवळ नेल्यास 'पॉप' (Pop) असा आवाज येतो.
तांबे (Cu), सोने (Au): हे कमी क्रियाशील धातू विरल आम्लांसोबत अभिक्रिया करत नाहीत.
अधातू: सामान्यतः विरल आम्लांसोबत अभिक्रिया करत नाहीत.
४. विस्थापन अभिक्रिया (Displacement Reaction)
व्याख्या: जेव्हा एखादा जास्त क्रियाशील (More reactive) धातू हा कमी क्रियाशील (Less reactive) धातूला त्याच्या क्षाराच्या द्रावणातून विस्थापित करतो (जागा बदलतो).
अभिक्रियाशीलता श्रेणी (Reactivity Series): धातूंची त्यांच्या क्रियाशीलतेनुसार केलेली मांडणी. (सर्वात जास्त K > Na > Ca > Mg > Al > Zn > Fe > Pb > Cu > Ag > Au सर्वात कमी).
उदाहरण १:
जेव्हा लोखंडी खिळा (Fe) कॉपर सल्फेटच्या (CuSO₄) निळ्या द्रावणात बुडवला जातो.
लोह (Fe) हे तांब्यापेक्षा (Cu) जास्त क्रियाशील आहे.
Fe + CuSO4(निळा रंग)-> FeSO4 (हिरवट रंग)+ C(तांब्याचा थर)
या अभिक्रियेत निळा रंग नाहीसा होऊन हिरवट होतो आणि खिळ्यावर तांब्याचा थर जमा होतो.
उदाहरण २:
जर तांब्याची तार (Cu) फेरस सल्फेटच्या (FeSO₄) द्रावणात ठेवली.
Cu + FeSO4 -> अभिक्रिया होत नाही (No Reaction)
कारण: तांबे (Cu) हे लोहापेक्षा (Fe) कमी क्रियाशील आहे, त्यामुळे ते लोहाला विस्थापित करू शकत नाही.
भाग ४: भौतिक बदल आणि रासायनिक बदल (Physical and Chemical Changes)
भौतिक बदल (Physical Change)
व्याख्या: असा बदल ज्यामध्ये पदार्थाचे भौतिक गुणधर्म (उदा. अवस्था, आकार, रंग) बदलतात, पण त्याचे रासायनिक संघटन (Chemical Composition) बदलत नाही. नवीन पदार्थ तयार होत नाही.
वैशिष्ट्ये:
बदल तात्पुरता (Temporary) असतो.
बदल सामान्यतः उलट करता येणारा (Reversible) असतो.
पदार्थाचे मूळ गुणधर्म कायम राहतात.
नवीन पदार्थ तयार होत नाही.
उदाहरणे:
बर्फाचे पाण्यात रूपांतर होणे ( वितळणे).
पाण्याची वाफ होणे ( बाष्पीभवन).
काच फुटणे (आकार बदलला, पण पदार्थ काचच राहिला).
लाकूड कापणे.
मीठ किंवा साखर पाण्यात विरघळवणे.
स्फटिकीकरण (Crystallization): हा भौतिक बदल आहे. द्रावणातून पदार्थाचे शुद्ध आणि मोठे स्फटिक मिळवणे. (उदा. कॉपर सल्फेटचे स्फटिक मिळवणे).
रासायनिक बदल (Chemical Change)
व्याख्या: असा बदल ज्यामध्ये पदार्थाचे रासायनिक संघटन बदलते आणि एक किंवा अधिक नवीन पदार्थ (New Substances) तयार होतात, ज्यांचे गुणधर्म मूळ पदार्थापेक्षा वेगळे असतात.
वैशिष्ट्ये:
बदल कायमस्वरूपी (Permanent) असतो.
बदल सामान्यतः उलट करता न येणारा (Irreversible) असतो.
नवीन गुणधर्माचे नवीन पदार्थ तयार होतात.
बदलादरम्यान उष्णता, प्रकाश, वायू किंवा ध्वनी निर्माण होऊ शकतो.
उदाहरणे:
लोखंड गंजणे (Rusting of Iron).
कागद किंवा लाकूड जाळणे (ज्वलन).
अन्न शिजवणे.
अन्न पचणे (Digestion).
दुधाचे दही होणे.
मॅग्नेशियम फितीचे ज्वलन (MgO तयार होणे).
फळ पिकणे.
प्रकाशसंश्लेषण (Photosynthesis).
फरक: भौतिक बदल विरुद्ध रासायनिक बदल
| मुद्दा | भौतिक बदल | रासायनिक बदल |
| नवीन पदार्थ | तयार होत नाही. | नवीन पदार्थ तयार होतो. |
| स्वरूप | तात्पुरता (Temporary) | कायमस्वरूपी (Permanent) |
| उलटण्याची क्रिया | सहसा उलट करता येतो (Reversible) | सहसा उलट करता येत नाही (Irreversible) |
| रासायनिक संघटन | बदलत नाही. | बदलते. |
| उदाहरणे | बर्फ वितळणे, पाणी उकळणे. | लाकूड जाळणे, लोखंड गंजणे. |
रासायनिक बदलांची काही उदाहरणे (अभ्यास)
१. लोखंड गंजणे (Rusting)
हा एक रासायनिक बदल आहे.
आवश्यक गोष्टी: गंजण्यासाठी लोखंडाला ऑक्सिजन (Oxygen) आणि पाणी (Water) (किंवा पाण्याची वाफ/आर्द्रता) या दोन्हींची गरज असते.
प्रक्रिया: 4Fe (लोह) + 3O2(ऑक्सिजन)+ nH2O (पाणी) -> 2Fe2O3 + nH_2O (गंज - हायड्रेटेड आयर्न ऑक्साईड)
गंज हा लालसर-तपकिरी रंगाचा पदार्थ असतो.
प्रतिबंध (Prevention):
रंग लावणे (Painting).
तेल किंवा ग्रीस लावणे.
गॅल्व्हनायझेशन (Galvanization): लोखंडावर जस्त (Zinc - Zn) धातूचा पातळ थर देणे. (जस्त जास्त क्रियाशील असल्याने स्वतः झिजतो पण लोखंडाचे संरक्षण करतो).
मिश्रधातू (Alloying) बनवणे (उदा. स्टेनलेस स्टील - लोह, निकेल, क्रोमियम).
भाग ५: ज्वलन आणि ज्योत (Combustion and Flame)
ज्वलन (Combustion)
व्याख्या: ही एक रासायनिक प्रक्रिया आहे ज्यामध्ये पदार्थ ऑक्सिजनसोबत अभिक्रिया करतो आणि उष्णता (Heat) देतो. बऱ्याचदा प्रकाश (Light) सुद्धा निर्माण होतो.
$C \text{ (कोळसा)} + O_2 \text{ (ऑक्सिजन)} \rightarrow CO_2 \text{ (कार्बन डायऑक्साइड)} + \text{उष्णता} + \text{प्रकाश}$
ज्या पदार्थाचे ज्वलन होते, त्याला ज्वलनशील पदार्थ (Combustible Substance) किंवा इंधन (Fuel) म्हणतात.
उदाहरणे: लाकूड, कोळसा, पेट्रोल, डिझेल, LPG, CNG, मॅग्नेशियम.
ज्या पदार्थाचे ज्वलन होत नाही, त्याला अज्वलनशील पदार्थ (Non-combustible Substance) म्हणतात. (उदा. दगड, काच, पाणी).
ज्वलनासाठी आवश्यक गोष्टी (Conditions for Combustion)
ज्वलनासाठी तीन गोष्टी आवश्यक असतात, ज्यांना 'अग्नि त्रिकोण' (Fire Triangle) म्हणतात:
१. इंधन (Fuel): ज्वलनशील पदार्थ.
२. ऑक्सिजन (Oxygen): ऑक्सिजन हा ज्वलनास मदत करतो (Supporter of combustion), पण स्वतः जळत नाही.
३. ज्वलनबिंदू (Ignition Temperature):
* व्याख्या: कमीत कमी तापमान ज्यावर पदार्थ पेट घेतो.
* प्रत्येक पदार्थाचा ज्वलनबिंदू वेगळा असतो. (उदा. पेट्रोलचा ज्वलनबिंदू रॉकेलपेक्षा कमी असतो).
* जोपर्यंत पदार्थ त्याच्या ज्वलनबिंदूपर्यंत गरम होत नाही, तोपर्यंत तो पेट घेत नाही.
ज्वलनाचे प्रकार (Types of Combustion)
१. जलद ज्वलन (Rapid Combustion):
पदार्थ वेगाने जळतो आणि उष्णता व प्रकाश निर्माण करतो.
उदाहरण: LPG गॅसची शेगडी पेटवणे, मेणबत्ती जळणे.
२. सहज ज्वलन (Spontaneous Combustion):
पदार्थ कोणत्याही बाह्य उष्णतेशिवाय (उदा. काडी लावल्याशिवाय) अचानक पेट घेतो.
उदाहरण: पांढरा फॉस्फरस (White Phosphorus) कक्ष तापमानाला हवेत पेट घेतो, कोळशाच्या खाणीतील आग.
३. स्फोट (Explosion):
अचानक होणारी अभिक्रिया ज्यामध्ये मोठ्या प्रमाणात उष्णता, प्रकाश, ध्वनी आणि वायू निर्माण होतो.
उदाहरण: फटाके फुटणे.
ज्योत (Flame)
ज्वलन होताना दिसणाऱ्या जळत्या वायूंच्या भागाला ज्योत म्हणतात.
सर्वच ज्वलनशील पदार्थ ज्योत निर्माण करत नाहीत. (उदा. कोळसा जळतो पण ज्योत निर्माण करत नाही, तर मेणबत्ती ज्योत निर्माण करते).
मेणबत्तीच्या ज्योतीची रचना (Structure of a Candle Flame)
मेणबत्तीच्या ज्योतीचे मुख्य तीन भाग असतात:
१. आतील गडद भाग (Innermost Zone - Dark Zone):
हा वातीच्या (Wick) जवळचा भाग असतो.
येथे मेणाचे बाष्प असते, पण ऑक्सिजनच्या अभावामुळे ज्वलन होत नाही.
हा सर्वात कमी गरम (Least hot) भाग असतो.
२. मधला तेजस्वी भाग (Middle Zone - Luminous Zone):
येथे ऑक्सिजनचा पुरवठा अपुरा असतो.
इंधनाचे (मेणाचे) अपूर्ण ज्वलन (Incomplete Combustion) होते.
कार्बनचे कण (Soot) तापल्यामुळे हा भाग पिवळा आणि तेजस्वी दिसतो.
३. बाहेरील भाग (Outermost Zone - Non-luminous Zone):
येथे ऑक्सिजनचा पुरवठा भरपूर असतो.
इंधनाचे पूर्ण ज्वलन (Complete Combustion) होते.
हा भाग निळसर रंगाचा असतो आणि सर्वात जास्त गरम (Hottest) असतो. (सोनार सोने वितळवण्यासाठी याच भागाचा वापर करतो).
इंधन (Fuel)
व्याख्या: ज्वलनानंतर उष्णता ऊर्जा देणारे पदार्थ.
आदर्श इंधन (Ideal Fuel): जे सहज उपलब्ध, स्वस्त, साठवण्यास सोपे असते, ज्याचा ज्वलनबिंदू योग्य असतो आणि जे जळल्यावर हानिकारक वायू/राख सोडत नाही.
इंधनाची कार्यक्षमता (Fuel Efficiency) - उष्मांक (Calorific Value):
व्याख्या: १ किलो इंधनाचे पूर्ण ज्वलन झाल्यावर निर्माण होणाऱ्या उष्णता ऊर्जेचे प्रमाण.
एकक (Unit): किलोज्यूल प्रति किलोग्राम (kJ/kg).
ज्या इंधनाचा उष्मांक जास्त, ते इंधन जास्त कार्यक्षम मानले जाते. (उदा. हायड्रोजनचा उष्मांक सर्वाधिक आहे).
ज्वलनाचे हानिकारक परिणाम (Harmful Effects of Burning Fuels)
अपूर्ण ज्वलन: ऑक्सिजन कमी मिळाल्यास इंधनाचे अपूर्ण ज्वलन होते आणि कार्बन मोनोक्साईड (CO) हा विषारी वायू तयार होतो.
श्वसनाचे विकार: कार्बन कण (Soot) हवेत मिसळून दमा (Asthma) सारखे आजार होतात.
जागतिक तापमानवाढ (Global Warming): बहुतेक इंधनांच्या ज्वलनाने कार्बन डायऑक्साइड (CO₂) वायू वातावरणात सोडला जातो, जो पृथ्वीचे तापमान वाढवतो.
आम्ल पर्जन्य (Acid Rain): कोळसा, डिझेल यांच्या ज्वलनातून **सल्फर डायऑक्साइड (SO₂) ** आणि नायट्रोजन ऑक्साईड (NOx) वायू बाहेर पडतात. हे वायू पावसाच्या पाण्यात विरघळून सल्फ्युरिक ऍसिड आणि नायट्रिक ऍसिड तयार करतात, जे 'आम्ल पर्जन्य' म्हणून जमिनीवर पडतात. हे पिके, इमारती आणि जलचरांसाठी हानिकारक असते.
आग विझवणे (Controlling Fire)
आग विझवण्यासाठी 'अग्नि त्रिकोणा' पैकी किमान एक घटक काढून टाकणे आवश्यक असते.
पाणी (Water): पाणी ज्वलनशील पदार्थाला (उदा. लाकूड) थंड करून त्याचा ज्वलनबिंदू कमी करते. तसेच पाण्याची वाफ ऑक्सिजनचा पुरवठा तोडते. (विद्युत उपकरणे किंवा तेलाला लागलेली आग विझवण्यासाठी पाणी वापरत नाहीत).
कार्बन डायऑक्साइड (CO₂): हा ऑक्सिजनपेक्षा जड असतो. तो आगीवर ब्लँकेटसारखे आवरण तयार करतो आणि ऑक्सिजनचा संपर्क तोडतो. (विद्युत उपकरणे आणि तेलाच्या आगीसाठी उत्तम).
फोम (Foam): तेलाच्या आगीसाठी वापरतात.
