अध्याय 1: हमारे आस-पास के पदार्थ
कक्षा 9 विज्ञान · Matter in Our Surroundings
1.1 पदार्थ का भौतिक स्वरूप
- जिसका द्रव्यमान हो और जो स्थान (आयतन) घेरे, वह पदार्थ है।
- प्राचीन भारतीय दार्शनिकों ने पदार्थ को पंचतत्व में बाँटा: वायु, पृथ्वी, अग्नि, जल और आकाश।
- आयतन का SI मात्रक घन मीटर (m³) है; सामान्य मात्रक लीटर। 1 L = 1 dm³ = 1000 mL।
- पदार्थ कणों से मिलकर बना है। एक KMnO₄ क्रिस्टल से लगभग 1000 L पानी रंगीन हो जाता है, यानी कण बहुत छोटे होते हैं।
1.2 कणों के अभिलाक्षणिक गुण
- कणों के बीच रिक्त स्थान होता है: नमक पानी में घुलने पर जल के कणों के बीच समा जाता है।
- कण निरंतर गतिशील हैं: इनमें गतिज ऊर्जा होती है; तापमान बढ़ने पर गति तेज़ होती है।
- विसरण: दो भिन्न पदार्थों के कणों का स्वतः मिलना। गर्म करने पर विसरण तेज़ होता है।
- कण एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं: इस आकर्षण बल का सामर्थ्य हर पदार्थ में अलग होता है।
1.3 पदार्थ की अवस्थाएँ
| गुण | ठोस | द्रव | गैस |
|---|---|---|---|
| आकार | निश्चित | अनिश्चित (बर्तन जैसा) | अनिश्चित |
| आयतन | निश्चित | निश्चित | अनिश्चित |
| संपीड्यता | नगण्य | बहुत कम | बहुत अधिक |
| आकर्षण बल | सबसे अधिक | मध्यम | सबसे कम |
| रिक्त स्थान | न्यूनतम | मध्यम | अधिकतम |
| गतिज ऊर्जा | न्यूनतम | मध्यम | अधिकतम |
| विसरण | सबसे धीमा | ठोस से तेज़ | सबसे तेज़ |
- रबर बैंड और स्पंज ठोस हैं; चीनी-नमक के क्रिस्टल अपना आकार नहीं बदलते।
- गैसें बर्तन की दीवारों से टकराकर दाब बनाती हैं। LPG, CNG और अस्पताल के ऑक्सीजन सिलेंडर में गैस संपीडित रहती है।
- घनत्व = द्रव्यमान / आयतन (मात्रक kg m⁻³)।
1.4 क्या पदार्थ अवस्था बदल सकता है?
- पदार्थ की अवस्था ताप और दाब बदलने से बदलती है।
- गलनांक: जिस ताप पर ठोस पिघलकर द्रव बनता है। बर्फ़ का गलनांक 273.16 K है। यह कणों के बीच आकर्षण बल के सामर्थ्य को दर्शाता है।
- तापमान: K = °C + 273 और °C = K − 273।
- क्वथनांक: जिस ताप पर द्रव उबलने लगता है। जल का क्वथनांक 373 K (100 °C)। यह समष्टि (bulk) गुण है।
- वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा: वायुमंडलीय दाब पर 1 kg द्रव को उसके क्वथनांक पर गैस में बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा। इसीलिए भाप में उसी ताप के जल से अधिक ऊर्जा होती है।
- ऊर्ध्वपातन: द्रव बने बिना ठोस से सीधे गैस और गैस से सीधे ठोस में बदलना। जैसे कपूर, अमोनियम क्लोराइड, नैफ्थलीन।
- दाब का प्रभाव: दाब बढ़ाने और ताप घटाने से गैस द्रव में बदल सकती है। ठोस CO₂ को शुष्क बर्फ़ (dry ice) कहते हैं; 1 atm पर यह द्रव बने बिना सीधे गैस बन जाती है।
- 1 atm = 1.01 × 10⁵ Pa। समुद्र तल पर वायुमंडलीय दाब 1 atm होता है।
संगलन की गुप्त ऊष्मा: वायुमंडलीय दाब पर 1 kg ठोस को उसके गलनांक पर द्रव में बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा। 0 °C पर जल के कणों की ऊर्जा बर्फ़ के कणों से अधिक होती है।
| परिवर्तन | नाम |
|---|---|
| ठोस → द्रव | संगलन (गलना) |
| द्रव → ठोस | जमना |
| द्रव → गैस | वाष्पीकरण |
| गैस → द्रव | संघनन |
| ठोस ⇄ गैस | ऊर्ध्वपातन |
1.5 वाष्पीकरण
- क्वथनांक से कम ताप पर द्रव के वाष्प में बदलने की प्रक्रिया वाष्पीकरण है। यह सतही परिघटना है।
- दर बढ़ाने वाले कारक: सतही क्षेत्रफल बढ़ना, तापमान बढ़ना, आर्द्रता कम होना, वायु की गति बढ़ना।
- आर्द्रता: वायु में विद्यमान जलवाष्प की मात्रा।
- शीतलता: वाष्पीकरण में द्रव के कण आस-पास से ऊर्जा लेते हैं, इसलिए ठंडक होती है। उदाहरण: एसीटोन हथेली पर, घड़े का ठंडा जल, छत पर जल छिड़कना।
- गर्मी में सूती कपड़े पहनें, क्योंकि ये पसीना अधिक सोखते हैं और वह आसानी से वाष्पीकृत होकर ठंडक देता है।
- बर्फ़ीले जल के गिलास पर बूँदें इसलिए दिखती हैं कि वायु का जलवाष्प ठंडे गिलास से ऊर्जा खोकर संघनित हो जाता है।
इसे भी जानें
- प्लाज़्मा: अति उत्तेजित, आयनीकृत गैस। नियॉन बल्ब, फ़्लोरेसेंट ट्यूब, सूर्य और तारों में।
- बोस-आइंस्टाइन कंडनसेट (BEC): पाँचवीं अवस्था। सत्येंद्रनाथ बोस की गणनाओं पर आइंस्टाइन ने भविष्यवाणी की। सामान्य वायु के घनत्व के एक लाखवें भाग वाली गैस को बहुत कम ताप पर ठंडा करने से बनती है।
मात्रक
| राशि | मात्रक | प्रतीक |
|---|---|---|
| तापमान | केल्विन | K |
| लंबाई | मीटर | m |
| संहति | किलोग्राम | kg |
| भार | न्यूटन | N |
| आयतन | घन मीटर | m³ |
| घनत्व | kg प्रति घन मीटर | kg m⁻³ |
| दाब | पास्कल | Pa |
1.1 Physical Nature of Matter
- Anything that has mass and occupies space (volume) is matter.
- Ancient Indian philosophers classified matter into five elements (Panchatattva): air, earth, fire, water and sky.
- The SI unit of volume is the cubic metre (m³); the common unit is the litre. 1 L = 1 dm³ = 1000 mL.
- Matter is made of particles. One crystal of KMnO₄ can colour about 1000 L of water, so particles are extremely small.
1.2 Characteristics of Particles of Matter
- Particles have space between them: salt dissolving in water goes into the gaps between water particles.
- Particles are continuously moving: they have kinetic energy, and their speed increases with temperature.
- Diffusion: spontaneous intermixing of particles of two different substances. It is faster on heating.
- Particles attract each other: the strength of this force differs from substance to substance.
1.3 States of Matter
| Property | Solid | Liquid | Gas |
|---|---|---|---|
| Shape | Definite | Indefinite (takes container's shape) | Indefinite |
| Volume | Definite | Definite | Indefinite |
| Compressibility | Negligible | Very low | Very high |
| Force of attraction | Maximum | Medium | Minimum |
| Space between particles | Minimum | Medium | Maximum |
| Kinetic energy | Minimum | Medium | Maximum |
| Diffusion | Slowest | Faster than solids | Fastest |
- A rubber band and a sponge are solids; crystals of sugar and salt do not change shape.
- Gases exert pressure by colliding with the container walls. LPG, CNG and hospital oxygen cylinders hold compressed gas.
- Density = mass / volume (unit: kg m⁻³).
1.4 Can Matter Change Its State?
- The state of matter changes with temperature and pressure.
- Melting point: the temperature at which a solid melts to a liquid. For ice it is 273.16 K. It shows the strength of attraction between particles.
- Temperature conversion: K = °C + 273 and °C = K − 273.
- Boiling point: the temperature at which a liquid starts boiling. For water it is 373 K (100 °C). It is a bulk phenomenon.
- Latent heat of vaporisation: heat needed to change 1 kg of liquid to gas at its boiling point. That is why steam has more energy than water at the same temperature.
- Sublimation: change of a solid directly into gas, or gas directly into solid, without becoming liquid. Examples: camphor, ammonium chloride, naphthalene.
- Effect of pressure: increasing pressure and lowering temperature can liquefy a gas. Solid CO₂ is called dry ice; at 1 atm it turns directly into gas.
- 1 atm = 1.01 × 10⁵ Pa. Atmospheric pressure at sea level is 1 atm.
Latent heat of fusion: heat needed to change 1 kg of solid to liquid at its melting point, at atmospheric pressure. Particles of water at 0 °C have more energy than particles of ice at the same temperature.
| Change | Name |
|---|---|
| Solid → Liquid | Fusion (melting) |
| Liquid → Solid | Freezing |
| Liquid → Gas | Vaporisation |
| Gas → Liquid | Condensation |
| Solid ⇄ Gas | Sublimation |
1.5 Evaporation
- The change of a liquid into vapour below its boiling point is evaporation. It is a surface phenomenon.
- Factors increasing the rate: larger surface area, higher temperature, lower humidity, higher wind speed.
- Humidity: the amount of water vapour present in air.
- Cooling: during evaporation particles take energy from the surroundings, so cooling occurs. Examples: acetone on the palm, water in an earthen pot, sprinkling water on a roof.
- We should wear cotton clothes in summer because they absorb more sweat, which evaporates easily and cools the body.
- Water drops appear on a glass of ice-cold water because water vapour in air loses energy to the cold surface and condenses.
Did You Know?
- Plasma: highly energetic, ionised gas. Found in neon bulbs, fluorescent tubes, the Sun and stars.
- Bose-Einstein Condensate (BEC): the fifth state. Einstein predicted it based on calculations by Satyendra Nath Bose. It forms when a gas of extremely low density is cooled to very low temperature.
Units
| Quantity | Unit | Symbol |
|---|---|---|
| Temperature | kelvin | K |
| Length | metre | m |
| Mass | kilogram | kg |
| Weight | newton | N |
| Volume | cubic metre | m³ |
| Density | kilogram per cubic metre | kg m⁻³ |
| Pressure | pascal | Pa |
1. सेल्सियस में बदलें: (a) 300 K (b) 573 K
उत्तर: °C = K − 273
(a) 300 − 273 = 27 °C
(b) 573 − 273 = 300 °C
2. केल्विन में बदलें: (a) 25 °C (b) 373 °C
उत्तर: K = °C + 273
(a) 25 + 273 = 298 K
(b) 373 + 273 = 646 K
3. कारण लिखें: (a) नैफ्थलीन रखे रहने पर अदृश्य हो जाती है। (b) इत्र की गंध दूर तक पहुँचती है।
उत्तर: (a) नैफ्थलीन ऊर्ध्वपातित पदार्थ है। यह द्रव बने बिना ठोस से सीधे गैस में बदल जाती है और वायु में फैल जाती है, इसलिए कुछ ठोस नहीं बचता।
(b) इत्र के वाष्प कण गैसीय अवस्था में तेज़ी से विसरित होकर वायु के कणों के बीच फैल जाते हैं और दूर बैठे व्यक्ति तक पहुँच जाते हैं।
4. कणों के बीच बढ़ते आकर्षण के क्रम में लिखें: (a) जल (b) चीनी (c) ऑक्सीजन
उत्तर: ऑक्सीजन < जल < चीनी
(गैस < द्रव < ठोस)
5. जल की भौतिक अवस्था: (a) 25 °C (b) 0 °C (c) 100 °C
उत्तर: (a) 25 °C पर द्रव।
(b) 0 °C पर ठोस (बर्फ़) और द्रव दोनों, क्योंकि यह गलनांक है।
(c) 100 °C पर द्रव और गैस (भाप) दोनों, क्योंकि यह क्वथनांक है।
6. पुष्टि हेतु कारण दें: (a) जल कमरे के ताप पर द्रव है। (b) लोहे की अलमारी कमरे के ताप पर ठोस है।
उत्तर: (a) जल का गलनांक 0 °C और क्वथनांक 100 °C है। कमरे का ताप (लगभग 25 °C) इन दोनों के बीच है, इसलिए जल द्रव है।
(b) लोहे का गलनांक बहुत अधिक है (कमरे के ताप से कहीं ऊपर), इसलिए कमरे के ताप पर लोहा ठोस रहता है।
7. 273 K पर बर्फ़ को ठंडा करने पर शीतलता का प्रभाव जल की तुलना में अधिक क्यों होता है?
उत्तर: 273 K पर बर्फ़ के कणों की ऊर्जा उसी ताप के जल से कम होती है। बर्फ़ पिघलने के लिए संगलन की गुप्त ऊष्मा अवशोषित करती है, इसलिए वह आस-पास से अतिरिक्त ऊष्मा लेकर अधिक ठंडक देती है।
8. उबलते जल या भाप में से जलने की तीव्रता किसमें अधिक महसूस होती है?
उत्तर: भाप में। 373 K पर भाप के कणों ने वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा के रूप में उसी ताप के जल से अधिक ऊर्जा अवशोषित की होती है। त्वचा पर संघनित होते समय वह अतिरिक्त ऊष्मा देती है, इसलिए जलन अधिक होती है।
9. चित्र में A, B, C, D, E तथा F की अवस्था परिवर्तन को नामांकित करें।
उत्तर:
A = संगलन (ठोस → द्रव)
B = वाष्पीकरण (द्रव → गैस)
C = संघनन (गैस → द्रव)
D = जमना (द्रव → ठोस)
E = ऊर्ध्वपातन (ठोस → गैस; ऊष्मा बढ़ाने, दाब घटाने पर)
F = ऊर्ध्वपातन (गैस → ठोस; ऊष्मा घटाने, दाब बढ़ाने पर)
1. Convert to Celsius: (a) 300 K (b) 573 K
Answer: °C = K − 273
(a) 300 − 273 = 27 °C
(b) 573 − 273 = 300 °C
2. Convert to kelvin: (a) 25 °C (b) 373 °C
Answer: K = °C + 273
(a) 25 + 273 = 298 K
(b) 373 + 273 = 646 K
3. Give reasons: (a) Naphthalene disappears with time without leaving any solid. (b) We can smell perfume from far away.
Answer: (a) Naphthalene sublimes: it changes directly from solid to gas without becoming liquid and spreads in the air, so no solid is left.
(b) Particles of perfume vapour diffuse rapidly in the gaseous state and mix with air particles, reaching a person sitting far away.
4. Arrange in increasing force of attraction between particles: (a) water (b) sugar (c) oxygen
Answer: Oxygen < Water < Sugar
(gas < liquid < solid)
5. What is the physical state of water at: (a) 25 °C (b) 0 °C (c) 100 °C?
Answer: (a) At 25 °C: liquid.
(b) At 0 °C: both solid (ice) and liquid, as it is the melting point.
(c) At 100 °C: both liquid and gas (steam), as it is the boiling point.
6. Give reasons: (a) Water is a liquid at room temperature. (b) An iron almirah is a solid at room temperature.
Answer: (a) Water melts at 0 °C and boils at 100 °C. Room temperature (about 25 °C) lies between the two, so water is a liquid.
(b) The melting point of iron is very high, far above room temperature, so iron remains solid.
7. Why does ice at 273 K produce a greater cooling effect than water at the same temperature?
Answer: Particles of ice have less energy than particles of water at 273 K. While melting, ice absorbs the latent heat of fusion from the surroundings, so it cools more.
8. Which produces more severe burns: boiling water or steam?
Answer: Steam. At 373 K, steam particles have absorbed extra energy as latent heat of vaporisation compared with water at the same temperature. When steam condenses on the skin it releases this extra heat, causing a more severe burn.
9. Name the processes A, B, C, D, E and F in the diagram.
Answer:
A = Fusion (solid → liquid)
B = Vaporisation (liquid → gas)
C = Condensation (gas → liquid)
D = Freezing (liquid → solid)
E = Sublimation (solid → gas; heat increased, pressure decreased)
F = Sublimation (gas → solid; heat decreased, pressure increased)
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