పదార్థం, పరమాణువులు & అణువులు (Matter & Atoms)

స్థలాన్ని ఆక్రమించి, ద్రవ్యరాశి కలిగి ఉండే ప్రతిదీ పదార్థం (Matter). పదార్థంలోని కణాల అమరిక, వాటి మధ్య ఆకర్షణ బలం ఆధారంగా దాని స్థితి మారుతుంది.

• ఘన స్థితి (Solid):
  1. కణాలు దగ్గరగా ఉంటాయి
  2. నిర్దిష్ట ఆకారం, ఘనపరిమాణం ఉంటాయి.
• ద్రవ స్థితి (Liquid):
  1. కణాల మధ్య ఖాళీ కొంచెం ఎక్కువ
  2. ఘనపరిమాణం ఉంటుంది కానీ ఆకారం పాత్రను బట్టి మారుతుంది.
• వాయు స్థితి (Gas):
  1. కణాలు దూరంగా, స్వేచ్ఛగా కదులుతాయి
  2. ఆకారం, ఘనపరిమాణం రెండూ ఉండవు.
• ప్లాస్మా (Plasma):
  1. అయనీకరణం చెందిన వాయువు
  2. సూర్యుడు, నక్షత్రాలు, ట్యూబ్‌లైట్లలో ఉంటుంది. దీన్ని నాల్గవ స్థితి అంటారు.
• బోస్–ఐన్‌స్టీన్ ఘనీభవనం (BEC): అతి తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఏర్పడే ఐదవ స్థితి. సత్యేంద్రనాథ్ బోస్, ఐన్‌స్టీన్ పేర్ల మీద వచ్చింది.
• స్థితి మార్పులు:
  1. ద్రవీభవనం (Melting): ఘన → ద్రవ; మంచు 0°C (273 K) వద్ద కరుగుతుంది.
  2. బాష్పీభవనం (Vaporisation): ద్రవ → వాయు; నీరు 100°C (373 K) వద్ద మరుగుతుంది.
  3. ఘనీభవనం (Freezing), సాంద్రీకరణ (Condensation) వ్యతిరేక మార్పులు.
  4. ఉత్పతనం (Sublimation): ఘన → నేరుగా వాయు. ఉదా: కర్పూరం, నాఫ్తలీన్, అమ్మోనియం క్లోరైడ్, పొడి మంచు (Dry Ice – ఘన CO₂).
• సెల్సియస్ → కెల్విన్: K = °C + 273.

పదార్థంలో కనిపించే మార్పులు రెండు రకాలు. కొత్త పదార్థం ఏర్పడిందా లేదా అనే దాన్ని బట్టి ఇవి భౌతిక, రసాయన మార్పులుగా విడిపోతాయి.

• భౌతిక మార్పు (Physical Change):
  1. కొత్త పదార్థం ఏర్పడదు
  2. రూపం, పరిమాణం, స్థితి మాత్రమే మారతాయి. చాలావరకు తిరగదీయవచ్చు.
• ఉదా: మంచు కరగడం, నీరు ఆవిరి కావడం, చక్కెర నీటిలో కరగడం, కాగితం చింపడం.
• రసాయన మార్పు (Chemical Change):
  1. కొత్త పదార్థం ఏర్పడుతుంది
  2. సాధారణంగా తిరగదీయలేం.
• ఉదా: ఇనుము తుప్పు పట్టడం, కట్టెలు మండడం, పాలు పెరుగుగా మారడం, ఆహారం జీర్ణం కావడం, కిరణజన్య సంయోగక్రియ.
• సూచనలు: వాయువు విడుదల, రంగు మార్పు, ఉష్ణం లేదా కాంతి విడుదల, అవక్షేపం ఏర్పడటం.
• ఉష్ణ మార్పు ఆధారంగా చర్యలు:
  1. ఉష్ణమోచక చర్య (Exothermic): ఉష్ణం విడుదలవుతుంది. ఉదా: దహనం, శ్వాసక్రియ.
  2. ఉష్ణగ్రాహక చర్య (Endothermic): ఉష్ణం గ్రహిస్తుంది. ఉదా: కిరణజన్య సంయోగక్రియ.
• సంయోగ చర్య: రెండు పదార్థాలు కలిసి ఒకటి ఏర్పడతాయి. ఉదా: CaO + H₂O → Ca(OH)₂ (సున్నం నీటితో).

పదార్థాలను వాటి స్వచ్ఛత ఆధారంగా స్వచ్ఛ పదార్థాలు, మిశ్రమాలుగా విభజిస్తారు. స్వచ్ఛ పదార్థాలు మూలకాలు, సమ్మేళనాలుగా ఉంటాయి.

• మూలకం (Element):
  1. ఒకే రకమైన పరమాణువులతో ఏర్పడిన పదార్థం
  2. రసాయనికంగా విడగొట్టలేం. ఉదా: హైడ్రోజన్, ఆక్సిజన్, ఇనుము. ఇప్పటి వరకు 118 మూలకాలు తెలుసు.
• సమ్మేళనం (Compound): రెండు లేదా ఎక్కువ మూలకాలు స్థిర నిష్పత్తిలో రసాయనికంగా కలిసి ఏర్పడతాయి. ఉదా: నీరు (H₂O), ఉప్పు (NaCl), కార్బన్ డయాక్సైడ్ (CO₂).
• లక్షణాలు మూలకాల లక్షణాలకు భిన్నంగా ఉంటాయి.
• మిశ్రమం (Mixture):
  1. పదార్థాలు ఏ నిష్పత్తిలోనైనా కలుస్తాయి
  2. ప్రతి పదార్థం తన లక్షణాలను నిలుపుకుంటుంది.
• సజాతీయ మిశ్రమం (Homogeneous): ఉప్పు నీరు, గాలి, ఇత్తడి.
• విజాతీయ మిశ్రమం (Heterogeneous): ఇసుక–నీరు, నూనె–నీరు.
• ద్రావణం, కొల్లాయిడ్, సస్పెన్షన్:
  1. ద్రావణం: కణాలు కనిపించవు, కాంతిని వెదజల్లవు.
  2. కొల్లాయిడ్: కాంతిని వెదజల్లుతుంది (టిండాల్ ఫలితం); ఉదా: పాలు, పొగమంచు.
  3. సస్పెన్షన్: కణాలు కనిపిస్తాయి, కాసేపటికి అడుగున చేరతాయి; ఉదా: బురద నీరు.
• ఉదాహరణలు:
  1. ఇత్తడి (రాగి + జింక్) సజాతీయ మిశ్రమం
  2. గాలి వాయువుల మిశ్రమం
  3. నీటిని విద్యుద్విశ్లేషణ చేస్తే హైడ్రోజన్, ఆక్సిజన్ వస్తాయి – ఇది సమ్మేళనాన్ని విడగొట్టే రసాయన పద్ధతి.
• గుర్తు: మూలకాలను రసాయన చిహ్నాలతో, సమ్మేళనాలను రసాయన సూత్రాలతో రాస్తారు.

మిశ్రమంలోని పదార్థాల భౌతిక లక్షణాలు భిన్నంగా ఉంటే, వాటిని సులభమైన పద్ధతులతో వేరు చేయవచ్చు. ఏ మిశ్రమానికి ఏ పద్ధతి వాడతారో పరీక్షల్లో జతపరచమని అడుగుతారు.

• వడపోత (Filtration): ద్రవంలోని కరగని ఘనపదార్థాన్ని వేరు చేస్తారు. ఉదా: ఇసుక–నీరు.
• స్వేదనం (Distillation): మరుగు స్థానాల్లో తేడా ఉన్న ద్రవాలను వేరు చేస్తారు. ఉదా: ఉప్పునీటి నుండి స్వచ్ఛమైన నీరు.
• అంశిక స్వేదనం (Fractional Distillation):
  1. మరుగు స్థానాలు దగ్గరగా ఉన్న ద్రవాలు
  2. ఉదా: ముడి చమురు శుద్ధి, గాలి నుండి వాయువులను వేరు చేయడం.
• బాష్పీభవనం (Evaporation):
  1. ద్రావణం నుండి కరిగిన ఘనపదార్థాన్ని పొందడం
  2. ఉదా: సముద్రపు నీటి నుండి ఉప్పు.
• అపకేంద్రీకరణ (Centrifugation):
  1. వేగంగా తిప్పి బరువైన కణాలను అడుగుకు చేరుస్తారు. ఉదా: పాల నుండి క్రీమ్ వేరు చేయడం
  2. రక్త పరీక్ష.
• ఉత్పతనం: ఉత్పతనం చెందే పదార్థాన్ని వేరు చేస్తారు. ఉదా: ఉప్పు + అమ్మోనియం క్లోరైడ్.
• వేరుచేసే గరాటు (Separating Funnel): కలవని ద్రవాలు (నూనె–నీరు).
• క్రోమాటోగ్రఫీ (Chromatography):
  1. రంగులు, వర్ణకాలను వేరు చేస్తారు
  2. ఇంకులోని రంగులు.
• అయస్కాంత వేరుపాటు: ఇనుప రజను + ఇసుక.

పరమాణువులోని ప్రోటాన్లు, న్యూట్రాన్ల సంఖ్యల ఆధారంగా మూలకాలను గుర్తిస్తారు. ఒకే మూలకంలో కూడా కొద్దిగా భిన్నమైన రకాలు ఉంటాయి.

• పరమాణు సంఖ్య (Atomic Number, Z): కేంద్రకంలోని ప్రోటాన్ల సంఖ్య. తటస్థ పరమాణువులో ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్యకు సమానం.
• ద్రవ్యరాశి సంఖ్య (Mass Number, A): ప్రోటాన్లు + న్యూట్రాన్ల మొత్తం సంఖ్య.
• న్యూట్రాన్ల సంఖ్య = A − Z.
• ఐసోటోప్‌లు (Isotopes): పరమాణు సంఖ్య ఒకటే, ద్రవ్యరాశి సంఖ్య వేరు. రసాయన లక్షణాలు ఒకేలా ఉంటాయి.
• హైడ్రోజన్: ప్రోటియం, డ్యూటీరియం, ట్రిటియం.
• కార్బన్-14 ఐసోటోప్‌ను శిలాజాల వయస్సు నిర్ణయించడానికి (కార్బన్ డేటింగ్) వాడతారు.
• యురేనియం-235 అణు ఇంధనం
• కోబాల్ట్-60 క్యాన్సర్ చికిత్సకు
• అయోడిన్-131 థైరాయిడ్ చికిత్సకు వాడతారు.
• ఐసోబార్లు (Isobars): ద్రవ్యరాశి సంఖ్య ఒకటే, పరమాణు సంఖ్య వేరు. ఉదా: ఆర్గాన్-40, కాల్షియం-40.
• ఐసోటోన్లు (Isotones): న్యూట్రాన్ల సంఖ్య ఒకటే.
• అయాన్లు (Ions): ఎలక్ట్రాన్లు కోల్పోతే ధనాయనం (Cation), స్వీకరిస్తే రుణాయనం (Anion).
• ఎలక్ట్రాన్ ద్రవ్యరాశి:
  1. ప్రోటాన్ ద్రవ్యరాశిలో సుమారు 1/1837 వంతు మాత్రమే
  2. అందుకే పరమాణు ద్రవ్యరాశి దాదాపు కేంద్రకానిదే.
• హైడ్రోజన్‌లో న్యూట్రాన్: సాధారణ హైడ్రోజన్ (ప్రోటియం)లో న్యూట్రాన్ ఉండదు – ఇది ప్రత్యేకత.

పరమాణువు అనే భావనను శాస్త్రీయంగా ప్రతిపాదించింది జాన్ డాల్టన్. రసాయన చర్యల్లో ద్రవ్యరాశులు ఏ నియమాలను పాటిస్తాయో కూడా పరీక్షల్లో అడుగుతారు.

• డాల్టన్ పరమాణు సిద్ధాంతం (1808):
  1. పదార్థం అవిభాజ్యమైన పరమాణువులతో ఏర్పడుతుంది
  2. ఒక మూలకపు పరమాణువులన్నీ ఒకేలా ఉంటాయి
  3. రసాయన చర్యలో పరమాణువులు సృష్టి కావు, నాశనం కావు.
• తరువాత కనుగొన్నది: పరమాణువు ఉప పరమాణు కణాలుగా విభజించవచ్చు.
• ద్రవ్యరాశి నిత్యత్వ నియమం: రసాయన చర్యలో ద్రవ్యరాశి సృష్టి కాదు, నాశనం కాదు – లవోయిజియర్ (Lavoisier).
• స్థిరానుపాత నియమం: ఒక సమ్మేళనంలో మూలకాల ద్రవ్యరాశుల నిష్పత్తి ఎప్పుడూ స్థిరం – ప్రౌస్ట్ (Proust). ఉదా: నీటిలో హైడ్రోజన్ : ఆక్సిజన్ = 1 : 8.
• అవగాడ్రో సంఖ్య: ఒక మోల్ పదార్థంలో 6.022 × 10²³ కణాలు ఉంటాయి.
• ఒక మోల్ వాయువు STP వద్ద 22.4 లీటర్ల ఘనపరిమాణాన్ని ఆక్రమిస్తుంది.
• ఒక మోల్ నీరు (H₂O) ద్రవ్యరాశి 18 గ్రాములు.
• పరమాణుకత (Atomicity):
  1. అణువులోని పరమాణువుల సంఖ్య. నోబుల్ వాయువులు – ఏకపరమాణుక
  2. H₂, O₂ – ద్వి
  3. O₃ – త్రి
  4. P₄ – చతుః
  5. S₈ – అష్ట పరమాణుకాలు.