धातूंचे विशेष गुणधर्म

 

 मनुष्यप्राण्याला इतर प्राणीमात्रांपेक्षा वेगळी अशी काही अलौकिक वरदाने मिळाली आहेत. पहिली म्हणजे अचाट बुद्धिमत्ता. तिचेही अनेक पैलू आहेत. निरीक्षणशक्ती आणि आकलनशक्तीमधून त्याला आजूबाजूचे जग आणि त्यात घडत असलेले बदल स्पष्ट दिसतात आणि समजतात. ते तसे का असावेत याचा विचार तो विचारशक्तीमधून करतो आणि काही आडाखे बांधतो. तो आपल्या कल्पनाशक्तीमधून त्याच्या समोर नसलेल्या गोष्टींची सुद्धा  डोक्यात कल्पना  करतो. या सगळ्यामधून स्वतः काही नवनिर्मिती करण्याची ऊर्मी त्याला मिळते. तो काही योजना तयार करतो आणि दोन हात व दहा बोटे या त्याला मिळालेल्या अद्भुत अवयवांचा उपयोग करून त्यांना साकार करू शकतो. त्याच्या आजूबाजूला असलेल्या परिस्थितीत काही बदल घडवून आणतो. काही पक्षी घरटी तयार करतात आणि काही किडेमुंग्या वारुळे तयार करतात, असे काही अपवाद वगळता कुठलेही प्राणी नवा पदार्थ किंवा नव्या वस्तू तयार करत नाहीत. उंदरामांजरांपासून हत्ती किंवा वाघसिंहापर्यंत कुठल्याही प्राण्याने एकादी लहानशीसुद्धा नवी वस्तू तयार केली आहे असे आपण कधीच ऐकले नाही. मोठे प्राणी आपल्या अंगातल्या शक्तीने असलेल्या वस्तूंचा विध्वंस करू शकतात, पण नवनिर्माण करू शकत नाहीत.

माणूस मात्र अनादि काळापासून आपल्या हाताने काही तरी वेगळे तयार करत आला आहे. अश्मयुगापर्यंतच्या काळातला आदिमानव दगड, माती आणि लाकूड अशा निसर्गात सहजपणे मिळणाऱ्या पदार्थांपासूनच काही वस्तू तयार करत आला. जनावरे किंवा दुसऱ्या मानवांशी लढाई करतांना नुसत्या हातांनी झटापट करण्याऐवजी हातात एखादे दांडके किंवा अणकुचीदार दगड धरून प्रहार केला तर तो जास्त जोराने लागतो हे त्याने ओळखले आणि त्यांची हत्यारे तयार केली. त्या काळात लाकडांना किंवा दगडांना हवा तसा आकार देण्यासाठी त्याच्याकडे चांगली धारदार हत्यारेही नव्हती. पण चिकाटीने प्रयत्न करून त्याने ओबडधोबड हत्यारे आणि औजारे तयार केली. त्यांचा कुशलतेने उपयोग करून त्याने स्वतःचे संरक्षण केलेच. शिवाय खडकांवर निरनिराळ्या आकृती चितारून आपले कलागुणही दाखवले. तो इतर अनेक दिशांनी प्रगति करत गेला.

अन्नाच्या शोधासाठी सतत रानोमाळ फिरण्याऐवजी तो एका ठिकाणी राहून जमीनीची मशागत करून आपले अन्न पिकवायला लागला. तिथे रहाण्यासाठी त्याने पर्णकुटी, झोपडी आणि घर बांधले. ते सगळे काम करण्यासाठी त्याला झाडे, दगड आणि  माती याच गोष्टी उपलब्ध होत्या. त्याने आपल्या हातांनी त्यांच्यामधूनच अनेक वस्तू तयार करून आपले संसार उभे केले.  झाडांच्या लाकडांपासून खांब बनवले, दगडांच्या भिंती बांधल्या, मातीपासून गाडगी, मडकी, माठ अशी पात्रे तयार केली. त्यांना आगीत भाजून कणखर बनवायचे तंत्र शिकून घेतले. अग्नीवर नियंत्रण मिळवल्यानंतर निरनिराळ्या खनिजांवर प्रयोग करत धातू बनवण्याचे तंत्रज्ञान आत्मसात केले.

कांस्ययुग आणि लोहयुगांमध्ये त्याने अनेक धातूंचे शोध लावले म्हणजे खनिजांपासून शुद्ध धातू तयार करण्याचे शास्त्र विकसित केले. या धातूंमध्ये दगड किंवा लाकूड यांच्यापेक्षा निराळे असे काही अद्भुत गुणधर्म होते. आधीच्या काळात दगड किंवा लाकडातून तयार करता येत नव्हत्या अशा अनेक नव्या वस्तू तर त्याला धातूंपासून तयार करता आल्याच, त्याने नव्या वस्तूंच्या निर्मितीसाठी नवनवी अवजारे, उपकरणे आणि यंत्रेसुद्धा धातूंमधून  तयार केली आणि त्यांचा उपयोग करून तो निरनिराळ्या उपयुक्त तसेच सुबक वस्तू तयार करत गेला. यातून विज्ञान आणि तंत्रज्ञानातील संशोधनाला चालना मिळाली आणि नवनवीन मानवनिर्मित पदार्थ ही तयार होत गेले आणि मग त्यांच्यापासून आणखी कित्येक नव्या वस्तू तयार होत गेल्या. 

आज आपण कुठलीही मानवनिर्मित वस्तू हातात घेऊन पाहिली तर ती दगड, माती, लाकूड, काच, रबर, प्लॅस्टिक अशा कोणत्या पदार्थांपासून तयार केली आहे की एखाद्या धातूची आहे हे आपल्याला लगेच समजते. याचे कारण विज्ञानाचा अभ्यास न केलेल्या सामान्य माणसालाही अनुभवावरून समजलेले असे काही सहज लक्षात येणारे विशिष्ट गुणधर्म बहुतेक सगळ्या धातूंमध्ये असतात. या गुणधर्मांचाच संक्षिप्त अभ्यास या लेखात केला गेला आहे. भौतिकशास्त्र आणि रसायनशास्त्र या विज्ञानाच्या दोन शाखांमधून पदार्थांचा अभ्यास दोन दिशांनी केला जातो, या अभ्यासातून मिळणाऱ्या गुणधर्मांना अनुक्रमे भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्म म्हणतात.

भौतिक गुणधर्म : 

धातूंचे भौतिक गुणधर्म हे प्रामुख्याने त्यांच्या बाह्य स्वरूपाशी आणि संरचनेशी संबंधित असतात. धातू कसे वेगळे दिसतात किंवा असतात हे या गुणांवरून लगेच लक्षात येते.

१. अवस्था: सामान्य तापमानाला बहुतेक सर्व धातू 'स्थायू' किंवा घनरूप अवस्थेत असतात. मात्र, पारा आणि गॅलिअम हे धातू अपवाद असून ते सामान्य तापमानाला 'द्रव' अवस्थेत आढळतात. मात्र कुठलाच धातू निसर्गामध्ये वायुरूपात सापडत नाही.

२. चकाकी (Lustre): धातूंकडे पाहिल्यावर पहिली गोष्ट जाणवते ती म्हणजे त्यांची 'चकाकी'. धातूंच्या पृष्ठभागावरून प्रकाशाचे परावर्तन होते, त्यामुळे त्यांना एक विशिष्ट प्रकारचे तेज असते. हवेच्या परिणामामुळे काही धातूंचा पृष्ठभाग थोडा काळवंडतो, पण ताजे कापलेले किंवा घासलेले धातू मूळ रूपात येतात आणि अधिक चमकतात. सोने आणि चांदी यांच्या चकाकीमुळेच ते धातू दागिन्यांसाठी वापरले जातात. तांब्यापितळेची भांडी आणि कांशाच्या मूर्ती घासल्यावर त्यांना झळाळी येते. काळे लोखंडसुद्धा घासल्यावर चमकते आणि ते तापवल्यावर तर लालपिवळे आणि प्रकाशमान होते.

३. कठीणपणा: बहुतेक धातू कठीण असतात. पोलादाच्या कुदळीने जमीन खणली जाते आणि छिन्नीने दगड तोडून त्यातून मूर्ती घडवली जाते. कठीणपणा या गुणासाठीच बहुतेक सगळी हत्यारे आणि आयुधे पोलादातून तयार केली जातात. कांस्ययुगामध्ये कांसे हाच कठीण धातू उपलब्ध होता म्हणून कांशापासून हत्यारे तयार केली जात असत. ब्राँझपासून तयार केलेल्या मूर्ती किंवा पुतळे हजारो वर्षे न झिजता टिकून राहिले आहेत. तर दुसरीकडे पाहता,'सोडिअम' आणि 'पोटॅशिअम' हे धातूंमधले अपवाद स्वतःच्या सामर्थ्यापेक्षा मृदुतेसाठी ओळखले जातात, ते  मऊ मेणासारखे एखाद्या साध्या चाकूने सहज कापले जाऊ शकतात. 

४. वर्धनीयता (Malleability) : काही धातूंच्या गोळ्यांवर हातोड्याने प्रहार केले तर ते भंगत नाहीत किंवा त्यांचा भुगा होत नाही. ते चपटे होतात किंवा विस्तार पावतात. ठोकून किंवा लाटून त्यांचे पातळ पत्रे तयार करता येतात, या गुणधर्माला 'वर्धनीयता' म्हणतात. सोने आणि चांदी हे सर्वाधिक वर्धनीय धातू आहेत. त्यांचेपासून विविध आकारांचे दागिने किंवा पात्रे तयार केली जातात. लोखंड, तांबे यासारख्या धातूंना विशिष्ट तापमानापर्यत तापवल्यावर ते वर्धनीय होतात आणि त्यांना ठोकून निरनिराळे आकार देता येतात. त्यानंतर ते आकार न बदलता टिकूनही राहतात. धातूंच्या या गुणामुळेच निरनिराळ्या वस्तू तयार करण्यासाठी त्यांचा वापर अत्यंत उपयुक्त ठरला आणि वाढत गेला.

५. तन्यता (Ductility): धातूंच्या गोळ्याला खेचून त्यांच्या बारीक तारा काढता येतात, या गुणधर्माला 'तन्यता' म्हणतात. विजेच्या तारांमध्ये तांबे आणि ॲल्युमिनियमचा वापर या गुणधर्मामुळेच केला जातो. लोखंडाच्या तारांचे मजबूत दोरखंड तयार केले जातात आणि त्यांचा उपयोग करून मोठे पूल बांधले जातात. 

६. उष्णता आणि विद्युत वाहकता (Conductivity): धातू उष्णता आणि विजेचे सुवाहक असतात. ऊर्जेला एका टोकाकडून दुसऱ्या टोकाकडे त्वरित पोहोचवण्याचे  कार्य ते अखंडपणे करतात. चांदी हा विजेचा आणि ऊष्णतेचा सर्वोत्तम वाहक आहे, पण त्याची किंमत जास्त असल्यामळे त्याचा या कारणासाठी मर्यादित प्रमाणात उपयोग होतो. विजेच्या तारा तयार करण्यासाठी तसेच स्वयंपाकाची भांडी तयार करण्यासाठी तांबे आणि ॲल्युमिनियम यांचा उपयोग प्रामुख्याने केला जातो.  शिसे हा धातू मात्र उष्णतेचा दुर्वाहक आहे.

७. घनता : सर्वसामान्यपणे धातूंची घनता जास्त असते. त्यामुळे ते इतर पदार्थांच्या मानाने वजनाला जड असतात. ओस्मियम (Osmium घनता २२.५९)  हा जगातील सर्वात जड (सर्वात घन) नैसर्गिक धातू आहे. सोने (१९.३२) हा आपल्या ओळखीचा सर्वात जड आणि लवचिक धातू आहे.  दैनंदिन जीवनात सहजपणे आणि कमी किंमतीत उपलब्ध असलेला शिसे (११.३४) हा धातू अत्यंत जड मानला जातो. याच्या उलट सोडिअम आणि पोटॅशिअमची घनता पाण्यापेक्षाही कमी असल्याने ते पाण्यावर तरंगू शकतात.

८. द्रवणांक आणि उत्कलनांक (Melting and Boiling Points) : बहुतेक धातूंचे द्रवणांक आणि उत्कलनांक खूप उच्च असतात. लोखंडाचा द्रवणांक सुमारे १५३५°C आणि उत्कलनांक  २,८६१°C आहे. तर टंगस्टनचा द्रवणांक सर्वाधिक म्हणजे सुमारे ३४२२°C उत्कलनांक ५,५५५ °C इतका असतो. आपल्या नेहमीच्या वापरातले धातू नेहमी घनरूपातच असतात. या धातूंना भट्टीमध्ये द्रवणांकापर्यंत तापवून वितळवतात आणि साच्यांमध्ये ओतून त्यांच्या ओतीव वस्तू केल्या जातात. यासाठी तो अंक महत्वाचा आहे. सर्वसाधारण भट्ट्यांमध्ये या धातूंची वाफ करता येतच नाही. त्यामुळे उत्कलनांक सहसा गाठला जात नाही. पारा मात्र एरवी द्रवरूप असतो, तो-४०अंशावर गोठून घनरूप होतो आणि तापवला तर ३५७ अंशावर उकळून वाफ होतो.

९. नादमयता : धातूवर आघात केल्यास त्यातून विशिष्ट प्रकारचा आवाज येतो, याला 'नादमयता' म्हणतात. मंदिरातील घंटा जेंव्हा वाजते, तेंव्हा जो निनाद आसमंतात घुमतो, तो म्हणजे धातूंची 'नादमयता'. आपल्यावर होणाऱ्या आघाताचे रूपांतर एका मधुर सुरात करण्याची किमया फक्त धातूंकडेच आहे. अनेक संगीत वाद्यांमध्ये तारांच्या झंकारामधूनच सुरेल संगीत निर्माण होते.

काही धातूंचे काही भौतिक गुणधर्म आकृती क्र.१ मध्ये दाखवले आहेत.

रासायनिक गुणधर्म 

बहुतेक सर्व धातू निरनिराळ्या अधातूंशी संयोग पावतात आणि त्यातून संयुगे निर्माण होतात. या रासायनिक क्रियांमध्ये हे धातू इतर मूलद्रव्यांशी इलेक्ट्रॉन्सचे आदान प्रदान करतात.

१. इलेक्ट्रॉन गमावण्याची प्रवृत्ती: धातूंच्या अणूंच्या बाह्य कक्षेत १, २ किंवा ३ इलेक्ट्रॉन असतात. रासायनिक अभिक्रिया करतांना हे धातू दुसऱ्या मूलद्रव्यांना यातले इलेक्ट्रॉन देऊन धन आयन (Cations) तयार करतात.

२. ऑक्सिजनशी अभिक्रिया: धातू ऑक्सिजनशी संयोग पावून धातूंचे ऑक्साइड तयार करतात. हे ऑक्साइड प्रामुख्याने आम्लारीधर्मी (Basic) असतात. 

३. पाण्याशी अभिक्रिया: सोडिअम आणि पोटॅशिअम यासारखे काही धातू पाण्यासोबत अभिक्रिया करून हायड्रोजन वायू मुक्त करतात.

४. गंजणे : हवेतील ओलावा आणि वायूंच्या संपर्कात आल्यावर धातूंचे क्षरण होते, ज्याला आपण गंजणे म्हणतो. (उदा. लोखंडावर लालसर थर जमा होणे).  हवेमधील प्राणवायूशी संयोग होऊन धातूंच्या उघड्या पृष्ठभागावर  ऑक्साइड्सचा  पातळ थर तयार होतो. या थरामुळे धातूंची चकाकी झाकली जाते.

याशिवाय Mechanical strength म्हणजे पदार्थाची "यांत्रिक शक्ती" किंवा "यांत्रिक सामर्थ्य", म्हणजेच तुटल्याशिवाय किंवा वाकल्याशिवाय विविध बाह्य बल (जसे की दाब, ताण, आघात) सहन करण्याची आणि त्याला प्रतिकार करण्याची क्षमता महत्वाची असते. यांत्रिक शक्तीमध्ये तन्यता (Toughness), कडकपणा (Hardness), कणखरपणा (Stiffness) आणि आघात सहन करण्याची शक्ती (Impact Strength) यांसारख्या अनेक भौतिक गुणधर्मांचा समावेश होतो. पदार्थाच्या बाह्य ताण किंवा दाबानंतर मूळ आकारात परत येण्याच्या क्षमता दाखवणारा स्थितीस्थापकत्व (Elasticity) हा भौतिकशास्त्रातील आणखी एक महत्वाचा गुण आहे.

'धातूंची मजेशीर शाळा' या संकल्पनेवर आधारित एक विशेष व्यंगचित्र आकृती क्र.२ मध्ये दिले आहे. काही धातूंचे विशिष्ट गुणधर्म त्यांच्या 'स्वभावा'नुसार या चित्रात मांडले आहेत.

वर दिल्याप्रमाणे अनेक धातूंमध्ये काही समान गुणधर्म असले तरी त्यांना अपवाद आहेत. उदाहरणार्थ  सोडिअम आणि पोटॅशिअम हे धातू वजनाने हलके आणि मऊ असतात आणि पारा जड असतो पण तो द्रवरूप आणि प्रवाही असतो तरी त्यांना धातू म्हणतात, तर हिरा अत्यंत कठीण आणि चमकदार असला तरी त्याची गणना धातूंमध्ये होत नाही. असे का आहे?

 धातूंशी संबंधित असलेल्या रासायनिक आणि भौतिक गुणधर्मांमुळे पारा (Mercury) हा धातू मानला जातो, उदाहरणार्थ तो विजेचा आणि उष्णतेचा सुवाहक आहे, इलेक्ट्रॉन गमावून धनआयन (cation) तयार करतो, आणि घन अवस्थेत असताना इतर धातूंप्रमाणेच चकाकणारा, आघातक्षम (malleable) व तन्य (ductile) असतो.  सोडिअम आणि पोटॅशिअम या धातूंमध्येसुद्धा कठीणपणा आणि घनता हे दोन अपवाद सोडून धातूंचे इतर गुण असतात, रासायनिक गुणांच्या बाबतीत तर ते जास्तच जहाल आणि क्रियाशील धातू असतात. हिरा हा धातू नाही, कारण तो कार्बन या अधातू मूलद्रव्याचा एक शुद्ध प्रकार (बहुरूप) आहे आणि धातूंसारखे गुणधर्म (उदा. विद्युत वाहकता, तन्यता) दाखवत नाही.

भौतिक गुणधर्म सहजपणे लक्षात येण्यासारखे असतात, तर 'इलेक्ट्रॉन गमावण्याची प्रवृत्ती' हा मुख्य रासायनिक गुण सहज समजण्यासारखा नाही. धातूंवरील रासायनिक क्रिया हळूहळू चाललेल्या असतात. पण  विज्ञानामध्ये धातू आणि अधातू यांचे वर्गीकरण मुख्यत्वे त्यांच्या रासायनिक गुणधर्मांवरूनच होते. मूलद्रव्यांना हे गुणधर्म त्यांच्या अणूंच्या रचनेतून प्राप्त होतात. अणूच्या अंतर्गत रचनेत त्याच्या केंद्रस्थानी एक प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन असलेले धनभारित केंद्रक (Nucleus) असते, ज्याच्याभोवती ऋणभारित इलेक्ट्रॉन विशिष्ट ऊर्जा पातळीवरील  कक्षांमध्ये फिरत असतात. त्यामधील सर्वात बाहेरच्या कक्षेत किती इलेक्ट्रॉन्स असतात यावरून ते  मूलद्रव्य कोणत्या वर्गातले आहे हे ठरते.     

सर्व मूलद्रव्यांचा समावेश असलेल्या आवर्तसारणीमध्ये मूलद्रव्यांची मांडणी अशा प्रकारे केली आहे की, त्यावरून धातू, अधातू आणि धातूसदृश मूलद्रव्यांमधील वर्गीकरण स्पष्टपणे समजते. ते मुख्यत्वे खालीलप्रमाणे आहे. आकृती -३ पहा.

१. डावीकडून उजवीकडे जाणारा कल 

डावी बाजू (धातू): आवर्तसारणीच्या डाव्या बाजूला आणि मध्यभागी असलेली बहुतेक सर्व मूलद्रव्ये धातू (Metals) आहेत. (उदा. सोडिअम, मॅग्नेशिअम, लोखंड). मात्र  पहिलाच मूलधातू  हैड्रोजन (H) हा याला एकमेव अपवाद असा अधातू आहे.

उजवी बाजू (अधातू): तुम्ही जसजसे उजव्या बाजूला जाता, तसतसे मूलद्रव्यांचे धातुरूप गुणधर्म कमी होत जातात आणि अधातू (Non-metals) सुरू होतात. (उदा. नायट्रोजन, ऑक्सिजन, क्लोरीन).

२. नागमोडी रेषा (The Zig-Zag Line): आवर्तसारणीमध्ये उजव्या बाजूला एक नागमोडी (Zig-Zag) रेषा असते. ही रेषा धातू आणि अधातू यांना एकमेकांपासून वेगळे करते. या रेषेच्या अगदी जवळ असलेली मूलद्रव्ये धातूसदृश (Metalloids) असतात. त्यांच्यात धातू आणि अधातू या दोन्हीचे गुणधर्म आढळतात. (उदा. बोरॉन, सिलिकॉन, जर्मेनिअम).

या लेखात दिलेल्या विशिष्ट गुणधर्मांमुळे धातू लगेच ओळखून येतात आणि त्यांचा उपयोग करून मानवाने आपल्या दैनंदिन जीवनात क्रांतिकारक बदल घडवून आणले आहेत. धातूंचे हे वैविध्यपूर्ण गुणधर्म त्यांना बांधकाम, यंत्रसामग्री, वाहतूक, विद्युत उपकरणे आणि दागिने अशा विविध क्षेत्रांत अनिवार्य बनवतात. विज्ञानातील प्रगतीमुळे आज आपण विविध धातूंचे मिश्रण करून 'संमिश्रे' (Alloys) तयार करतो, ज्यामुळे मूळ धातूंचे गुणधर्म अधिक सुधारता येतात. वेगळ्या प्रकारे विचार केल्यास असे जाणवते की धातू म्हणजे केवळ खनिजे नव्हेत, तर ते सामर्थ्य, सौंदर्य, लवचिकता, सहनशीलता आणि दातृत्व अशा गुणांचे मूर्तिमंत रूप आहेत. अग्नीतून तावून सुलाखून निघालेल्या या धातूंनीच मानवी प्रगतीच्या प्रत्येक टप्प्यावर आपल्या आयुष्याला आकार आणि आधार दिला आहे.