सामान्य विज्ञान क्विज: पदार्थ की अवस्थाएं और गुण

सही उत्तर A, विकिरित ऊष्मा ऊर्जा का अवशोषण करके है। अवस्था परिवर्तन कणों की ऊर्जा से तय होता है। जब ठोस ऊष्मा सोखता है तो उसके कण अधिक तेजी से कंपन करते हैं, जब तक जालक में बांधने वाला बल पार नहीं हो जाता और वह पिघल जाता है; और ऊष्मा मिलने पर द्रव के कण वाष्प बनकर निकल जाते हैं। ऊष्मा हटाने पर दोनों चरण उलट जाते हैं। विकल्प B गलत है क्योंकि विद्युत अपघट्य विलयन में विद्युत चालन करते हैं और रासायनिक परिवर्तन में भाग लेते हैं, अवस्था नहीं बदलते। विकल्प D इसी कारण गलत है, क्योंकि अम्ल और क्षार रासायनिक अभिक्रिया करके नए पदार्थ बनाते हैं, भौतिक अवस्था परिवर्तन नहीं। विकल्प C लुभावना जाल है: दाब का महत्व है और गैस को पर्याप्त दबाने पर वह द्रव बन जाती है, पर यह विकल्प अपूर्ण है क्योंकि केवल ठोस या द्रव पर दाब बढ़ाने से अवस्था नहीं बदलती, उलटे क्वथनांक बढ़ जाता है। प्रश्न सामान्य कारक ऊष्मा पूछ रहा है।

सही उत्तर B, 1924 है। 1924 में सत्येंद्र नाथ बोस ने अल्बर्ट आइंस्टाइन को एक शोधपत्र भेजा जिसमें अविभेद्य प्रकाश क्वांटा की गणना से प्लांक का विकिरण नियम व्युत्पन्न किया गया था। आइंस्टाइन ने तुरंत समझ लिया कि यही सांख्यिकी परमाणुओं पर भी लागू होती है, उन्होंने शोधपत्र का जर्मन में अनुवाद कराकर प्रकाशित कराया और उसे आगे बढ़ाया, तथा भविष्यवाणी की कि ऐसे कणों की विरल गैस को परम शून्य के निकट ठंडा करने पर वह एक ही निम्नतम क्वांटम अवस्था में सिमट जाएगी। वही अवस्था बोस-आइंस्टाइन संघनित है और वह सांख्यिकी बोस-आइंस्टाइन सांख्यिकी कहलाती है। विकल्प A, 1935, क्वांटम उलझाव पर आइंस्टाइन-पोडोल्स्की-रोजन शोधपत्र का वर्ष है, इस भविष्यवाणी का नहीं। विकल्प D, 1919, उस सूर्य ग्रहण प्रेक्षण का वर्ष है जिसने सामान्य आपेक्षिकता की पुष्टि की। विकल्प C, 1930, का संघनित से कोई संबंध नहीं। क्रम याद रखें: 1924 में बोस की सांख्यिकी और आइंस्टाइन की भविष्यवाणी, 1995 में प्रयोगशाला में पहला संघनित, और 2001 में उसके लिए भौतिकी का नोबेल पुरस्कार।

सही उत्तर C, P1/P2 = V2/V1 यदि T स्थिर रखा जाए है। बॉयल का नियम स्थिर ताप पर गैस की निश्चित मात्रा पर लागू होता है और कहता है कि दाब आयतन के व्युत्क्रमानुपाती होता है, इसलिए दोनों का गुणनफल स्थिर रहता है: P1 गुणा V1 बराबर P2 गुणा V2। इस समता को पुनर्व्यवस्थित करने पर ठीक वही अनुपात मिलता है जो विकल्प C में है, यानी पहला दाब दूसरे दाब से उसी अनुपात में है जिसमें दूसरा आयतन पहले आयतन से है। विकल्प A दाब नियम है, जिसका श्रेय अक्सर गे-लुसाक को दिया जाता है: स्थिर आयतन पर गैस का दाब उसके परम ताप के समानुपाती होता है। विकल्प B चार्ल्स का नियम है: स्थिर दाब पर आयतन परम ताप के समानुपाती होता है। दोनों अन्य नियमों के सही कथन हैं, इसीलिए वे यहां अच्छे जाल बनते हैं, पर कोई भी बॉयल का नियम नहीं है। विकल्प D गलत है क्योंकि विकल्प C सही कथन है। ध्यान दें कि A और B में ताप केल्विन में होना चाहिए, डिग्री सेल्सियस में नहीं।

सही उत्तर B, 4 डिग्री सेल्सियस है। अन्य द्रवों की तरह जल भी ऊंचे ताप से ठंडा होने पर सिकुड़ता है, पर केवल 4 डिग्री सेल्सियस तक। उससे नीचे हाइड्रोजन आबंध अणुओं को एक खुली, पिंजरे जैसी व्यवस्था में जकड़ने लगते हैं और जल फिर फैलने लगता है। इसलिए उसका घनत्व 4 डिग्री सेल्सियस पर सर्वाधिक होता है, जहां एक घन सेंटीमीटर का द्रव्यमान लगभग एक ग्राम होता है। इस व्यवहार को जल का असामान्य प्रसार कहते हैं। विकल्प A, 0 डिग्री सेल्सियस, हिमांक है, जहां जल पहले ही फैल चुका होता है और बनी बर्फ लगभग नौ प्रतिशत कम घनी होती है, इसलिए तैरती है। विकल्प C, 10 डिग्री सेल्सियस, अधिकतम घनत्व के ताप से ऊपर है, इसलिए वहां जल कुछ कम घना होता है। विकल्प D, 100 डिग्री सेल्सियस, क्वथनांक है, जहां द्रव रूप में जल का घनत्व सबसे कम होता है। इसका व्यावहारिक परिणाम यह है कि तालाब ऊपर से नीचे की ओर जमता है और तली 4 डिग्री सेल्सियस पर रहती है, जिससे मछलियां जीवित रहती हैं।

सही उत्तर D, प्लाज्मा है। प्लाज्मा मुक्त इलेक्ट्रॉनों और धनायनों का गर्म, विद्युत चालक मिश्रण है, जो गैस को गर्म करने या प्रबल आयनन से बनता है। सूर्य सहित सभी तारे प्लाज्मा से बने हैं, और चूंकि तारे तथा उनके बीच की आयनित गैस ब्रह्मांड के दृश्य पदार्थ का अत्यधिक बड़ा भाग रखते हैं, इसलिए प्लाज्मा सर्वाधिक पाई जाने वाली अवस्था है। पृथ्वी पर यह असामान्य है और तड़ित, ध्रुवीय प्रकाश, विद्युत आर्क की ज्वाला, नियॉन साइन तथा प्रतिदीप्ति नलिकाओं में दिखती है। विकल्प A, ठोस, ग्रहों, उपग्रहों और धूल की अवस्था है, जो ब्रह्मांडीय पदार्थ का अत्यंत छोटा अंश है। विकल्प B, द्रव, ब्रह्मांड में उससे भी विरल है, क्योंकि द्रव के अस्तित्व के लिए ताप और दाब की संकरी सीमा चाहिए। विकल्प C, गैस, प्रायः दिया जाने वाला गलत उत्तर है, क्योंकि अंतरतारकीय बादलों में उदासीन गैस होती है, पर ब्रह्मांड का कहीं अधिक भाग आयनित है, उदासीन नहीं। प्लाज्मा को अक्सर पदार्थ की चौथी अवस्था कहा जाता है।

सही उत्तर A, ब्रोमीन है। ब्रोमीन साधारण कमरे के ताप पर गहरे लाल-भूरे रंग का, घना, धूम देता द्रव है, जिसका गलनांक लगभग ऋण 7 डिग्री सेल्सियस और क्वथनांक लगभग 59 डिग्री सेल्सियस है। इन परिस्थितियों में यह एकमात्र द्रव अधातु है, जैसे पारा कमरे के ताप पर एकमात्र द्रव धातु है, और यह जोड़ी एक अंक का मानक प्रश्न है। विकल्प B, आयोडीन, कमरे के ताप पर चमकदार धूसर-काला ठोस है; उसे इसके बजाय उस ठोस के रूप में याद रखा जाता है जो सरलता से ऊर्ध्वपातित होकर बैंगनी वाष्प देता है। विकल्प C, सल्फर, भंगुर पीला ठोस है जो लगभग 115 डिग्री सेल्सियस के पास ही पिघलता है। विकल्प D, फॉस्फोरस, भी कमरे के ताप पर ठोस है, जिसमें श्वेत फॉस्फोरस मोमी और लाल फॉस्फोरस चूर्णी होता है। गैलियम और सीजियम कभी-कभी निकट उत्तर के रूप में दिए जाते हैं, पर दोनों धातुएं हैं जो कमरे के ताप से कुछ ऊपर पिघलती हैं।

सही उत्तर B, 80 कैलोरी प्रति ग्राम है, यानी लगभग 334 जूल प्रति ग्राम। यह वह ऊष्मा है जो 0 डिग्री सेल्सियस की एक ग्राम बर्फ को उसी ताप का एक ग्राम जल बनने के लिए सोखनी पड़ती है; पिघलते समय ताप तनिक भी नहीं बढ़ता, क्योंकि ऊर्जा हाइड्रोजन आबंध वाले जालक को तोड़ने में लगती है। जल जमने पर उतनी ही ऊष्मा मुक्त होती है। विकल्प C, 540 कैलोरी प्रति ग्राम, जल के वाष्पन की गुप्त ऊष्मा है, यानी 100 डिग्री सेल्सियस के एक ग्राम जल को उसी ताप की भाप बनाने की ऊष्मा; अभ्यर्थी इन दोनों मानों को अक्सर बदल देते हैं, इसलिए गलन के लिए 80 और क्वथन के लिए 540 पक्का कर लें। विकल्प A, 22.4, ऊष्मा का मान ही नहीं है, बल्कि 0 डिग्री सेल्सियस और एक वायुमंडल पर गैस का लीटर में मोलर आयतन है। विकल्प D बहुत बड़ा है। गलन की गुप्त ऊष्मा अधिक होने के कारण बर्फ कुशल शीतलक है और पेय को देर तक ठंडा रखती है।

सही उत्तर A, द्रव अपने परिवेश से गुप्त ऊष्मा सोखता है है। वाष्पन सतही परिघटना है जिसमें द्रव के सर्वाधिक तेज गति वाले अणु मुक्त हो जाते हैं। इसके लिए वाष्पन की गुप्त ऊष्मा चाहिए, और वह ऊर्जा पीछे बचे द्रव तथा उस वस्तु से ली जाती है जिससे द्रव छूता है, इसलिए दोनों ठंडे हो जाते हैं। इसी से पसीना त्वचा को ठंडा करता है, इसी से बिना लेप वाले मिट्टी के घड़े में जल ठंडा रहता है जिसके छिद्रों से जल रिसकर वाष्पित होता है, और इसी से हाथ पर स्पिरिट की बूंद ठंडी लगती है। विकल्प B उलटी प्रक्रिया संघनन है, जो गुप्त ऊष्मा मुक्त करती है और परिवेश को गर्म करती है। विकल्प C कारण और परिणाम में भ्रम करता है: द्रव के ऊपर दाब घटाने से वाष्पन तेज होता है, पर शीतलन स्वयं हटाई गई गुप्त ऊष्मा से होता है, दाब के घटने से नहीं। विकल्प D गलत है क्योंकि शीतलन प्रसार पर निर्भर नहीं है; खुले में वाष्पित होता द्रव फैलकर उपयोगी कार्य नहीं करता।

सही उत्तर C, द्रव की घटती है और गैस की बढ़ती है है। द्रव में प्रवाह का विरोध मुख्यतः पड़ोसी अणुओं के बीच के आकर्षण से आता है। गर्म करने पर अणुओं को एक दूसरे के पास से सरकने की ऊर्जा मिल जाती है, इसलिए आकर्षण का महत्व घट जाता है और द्रव पतला हो जाता है; गर्म शहद और गर्म इंजन तेल ठंडे की तुलना में कहीं सरलता से ढलते हैं। गैस में अणु पहले से बहुत दूर होते हैं और आकर्षण नगण्य होता है, इसलिए श्यानता इस कारण उत्पन्न होती है कि अणु इधर-उधर जाते हुए प्रवाह के आर-पार संवेग ले जाते हैं। गर्म करने पर वे तेज चलते हैं, जिससे अधिक संवेग का परिवहन होता है, इसलिए गैस अधिक श्यान हो जाती है। विकल्प A और विकल्प B में एक आधा सही और दूसरा आधा गलत है, तथा विकल्प D दोनों को उलट देता है। परीक्षक इसी विरोधाभास को जांचते हैं, इसलिए इस जोड़ी को एक ही तथ्य के रूप में याद रखें: ऊष्मा द्रव को पतला और गैस को गाढ़ा करती है।

सही उत्तर B, शुष्क बर्फ ठोस कार्बन डाइऑक्साइड है। साधारण वायुमंडलीय दाब पर कार्बन डाइऑक्साइड की कोई द्रव अवस्था नहीं होती: ठोस लगभग ऋण 78.5 डिग्री सेल्सियस पर सीधे वाष्प बन जाता है। चूंकि वह पीछे पानी नहीं छोड़ती, उसे शुष्क बर्फ कहा जाता है और उसका उपयोग आइसक्रीम तथा टीकों को ठंडा रखने, मंच पर कोहरा बनाने और मेघ बीजन में होता है। विकल्प A, ठोस नाइट्रोजन, इस शब्द का अर्थ नहीं है; नाइट्रोजन का उपयोग ऋण 196 डिग्री सेल्सियस पर निम्नतापी द्रव के रूप में होता है, शुष्क बर्फ के रूप में नहीं। विकल्प C, ठोस अमोनिया, भी गलत है, यद्यपि अमोनिया द्रव रूप में एक सामान्य प्रशीतक है। विकल्प D सबसे आम भूल है: साधारण जमा हुआ जल, चाहे कितना भी शुद्ध हो, केवल बर्फ है, पिघलकर द्रव बनता है और गीला होता है। परीक्षा का बिंदु शब्दों की जोड़ी है: शुष्क इसलिए कि द्रव अवस्था नहीं होती, और कार्बन डाइऑक्साइड इसलिए कि वायुमंडलीय दाब पर यही पदार्थ ऐसा व्यवहार करता है।

सही उत्तर C, उसके मोलर द्रव्यमान के वर्गमूल के व्युत्क्रमानुपाती है। थॉमस ग्राहम ने 1833 में पाया कि हल्की गैस छिद्रयुक्त पट्टी से भारी गैस की तुलना में तेज फैलती है, और दो गैसों की दरें उनके घनत्वों तथा इसलिए उनके मोलर द्रव्यमानों के वर्गमूलों के व्युत्क्रम अनुपात में होती हैं। हाइड्रोजन सबसे हल्की गैस है और सबसे तेज विसरित होती है, और चूंकि ऑक्सीजन का मोलर द्रव्यमान हाइड्रोजन का सोलह गुना है, हाइड्रोजन चार गुना तेज विसरित होती है। विकल्प A सत्य के उलटा है, क्योंकि भारी गैस धीमी होती है। विकल्प B में दिशा सही है पर घात गलत: निर्भरता वर्गमूल पर है, स्वयं द्रव्यमान पर नहीं, इसलिए वह हाइड्रोजन को ऑक्सीजन से सोलह गुना तेज बताएगा। विकल्प D नियम का ही खंडन करता है। यही नियम बताता है कि एक साथ छोड़ी गई किसी भारी वाष्प से पहले अमोनिया की गंध कमरे में क्यों फैल जाती है।