બરફ

બરફ : પ્રવાહી પાણી અથવા પાણીની બાષ્પના થીજી જવાથી બનતો રંગવિહીન ઘન પદાર્થ. તે પાણીનું સ્ફટિકમય અપરરૂપ (allotropic form) છે. સામાન્ય રીતે એક વાતાવરણના દબાણે પ્રવાહી પાણીનું તાપમાન 0° સે.થી નીચું જતાં પ્રવાહી ઘન (બરફ) સ્વરૂપમાં આવે છે. દા.ત., કરા રૂપે પડતો બરફ, નદી કે સમુદ્રમાં જોવા મળતો કે રેફ્રિજરેટરમાં બનતો બરફ. પાણીમાંથી મળતો બરફ બાષ્પમાંથી બનતા બરફની જેમ સ્ફટિક ફલકો ઉત્પન્ન કરતો નથી. જોકે બરફના કેટલાક નમૂના 1થી 20 મિમી. માપના સ્ફટિકોવાળા મેળવી શકાયા છે. જૂના હિમનદના બરફમાં લાંબી, સતત પુનર્નિર્માણની વિધિને કારણે 50 સેમી. વ્યાસના મોટા સ્ફટિકો પણ ઉદભવેલા મળે છે. પાણીની વરાળ થીજી જતાં હિમ (snow) ઉદભવે છે, જ્યારે વાદળાંમાં બરફના એકાકી સ્ફટિકો ધરાવતું હિમતુલ (snow-flake) ઉત્પન્ન થાય છે.

મોટાભાગના પદાર્થોનું તાપમાન નીચું લઈ જતાં તેમના કદમાં ઘટાડો થાય છે, જ્યારે પાણીને ઠંડું કરતાં 4° સે. (3.98° સે.) સુધી જ તેના કદમાં ઘટાડો થાય છે અને તે પછી તેના કદમાં વધારો થાય છે (અનિયમિત કદપ્રસરણ). બરફની ઘનતા 0.919 ગ્રા./ઘસેમી. (0° સે.); આણ્વિક કદ 19.7 ઘસેમી. તથા એક અણુનું કદ 32 × 10^–24 ઘસેમી. જેટલું હોય છે. પાણીની ઘનતા (0.9998) કરતાં બરફની ઘનતા ઓછી હોવાથી બરફનું કદ 0° સે. તાપમાને પાણી કરતાં 9 % જેટલું વધુ હોય છે. આથી બરફ પાણી ઉપર તરે છે અને ઠંડા પ્રદેશોમાં તાપમાન વધુ નીચું જતાં પાણીની પાઇપો ઘણી વાર ફાટી જાય છે. બરફ પાણીમાં આ રીતે તરતો હોય ત્યારે તેનું દસમા ભાગનું કદ પાણીની બહાર હોય છે. થીજી જવાને લીધે પાણીના કદમાં આ રીતે વધારો થતો હોવાથી દબાણ વધારતાં પાણીનું ઠારબિંદુ નીચું જાય છે. આ ફેરફાર પ્રત્યેક વાતાવરણના દબાણદીઠ 0.0075° સે. હોય છે. બરફ ઉપર સ્કેટિંગ કરતી વખતે સ્કેટરના વજનને લીધે વધતા દબાણને કારણે તે ભાગમાંનો બરફ પીગળે છે અને સ્કેટર દૂર જતાં પાણી પાછું બરફમાં ફેરવાઈ જાય છે. બરફની સપાટીનું સર્પી ઘર્ષણ (sliding friction) ઓછું હોવાથી તથા પાણી ઊંજણ તરીકે કાર્ય કરતું હોવાથી સ્કેટિંગ સરળ બને છે. આ કારણસર બરફ-આચ્છાદિત રસ્તા ઉપર દોડતાં વાહનો ઘણી વાર સરકી જતાં અકસ્માત થાય છે. પાણી ઉપર બરફની તરતા રહેવાની આ ઘટના ઠંડા પ્રદેશોમાંનાં જળચર પ્રાણીઓ માટે મહત્વની બની રહે છે.

બરફને ગરમી આપતાં તે ઘનમાંથી પ્રવાહી(પાણી)માં ફેરવાય છે. આથી બરફને પાણીની સંઘનિત પ્રાવસ્થા (phase) કહે છે.

H₂O_(s) + ઊર્જા (ગરમી) ↔ H₂O_(l)

જોકે 0° સે. તાપમાને રહેલા બરફને ગરમી આપતાં સ્વલ્પ સમય માટે તે પીગળતો ન હોય તેવું લાગે છે, કારણ કે આપેલી ગરમી તેની સ્ફટિકરચના તથા તેમાંના બંધ તોડવામાં વપરાય છે. આ ઊર્જા પ્રવાહીમાં સ્થિતિજ ઊર્જા (potential energy) તરીકે રહે છે, અને તેને બરફના ગલનની ગુપ્ત ગરમી (latent heat, L_f) કહે છે. એક ગ્રામ બરફ માટે L_fનું મૂલ્ય 333.9 J (79.8 કૅલરી) હોય છે. કેટલાક પદાર્થો કરતાં આ મૂલ્ય ઊંચું હોવાથી બરફ એક ઉપયોગી શીતલક (refrigerant) તરીકે કામ આપે છે.

સામાન્ય વાતાવરણના દબાણે પાણીનું ઠારબિંદુ તાપમાન માપવા માટેના માનક (standard) તરીકે વપરાય છે. સેલ્સિયસ અને રૂમર માપક્રમો માટે તે 0° સે. છે, જ્યારે ફૅરનહાઇટ માટે તે 32° છે.

બરફની સંરચના : બરફનો સ્ફટિક પાણી(H₂O)ના અણુઓ એકઠા થઈ હાઇડ્રોજન બંધને કારણે એકબીજા સાથે જોડાવાથી ઉદભવે છે. પાણીના અણુનો વંકિત (bent) આકાર તેના બે હાઇડ્રોજન પરમાણુઓને તેની પડોશમાં આવેલા ચાર પૈકી બે અણુઓ સાથે જોડાવાની સુલભતા કરી આપે છે. આમાં એક અણુનો ઑક્સિજન બીજા અણુના હાઇડ્રોજન સાથે જોડાય છે. પ્રત્યેક અણુ ચતુષ્ફલક(tetrahedron)ના ખૂણા પર આવેલા ચાર પડોશી અણુઓ સાથે બંધ બનાવે છે. આ ચતુષ્ફલકીય ગોઠવણી H₂Oના અણુઓના પ્રકુંચિત (ગડીવાળા કે કરચલીવાળા) (puckered) ષટ્ફલકીય વલયો ઉત્પન્ન કરે છે. અને આને કારણે બરફનો સ્ફટિક ષટ્ફલકીય સમમિતિ ધરાવે છે.

તેમાં દરેક ઑક્સિજન પરમાણુ 2.76 Å (1Å = 10^–8 સેમી. = 10^–10 મી.) અંતરે રહેલા ચાર નજીકના પડોશીઓથી ચતુષ્ફલકીય રીતે જોડાયેલો હોય છે. બરફ જે નવ વિવક્ત (distinct) સંરચનાકીય રૂપાંતરો (modifications) ધરાવે છે, તે પૈકી બરફ–Iની સંરચના આ પ્રકારની હોય છે.

ઊંચા દબાણે બરફનાં વિવિધ સ્ફટિક રચના ધરાવતાં અન્ય રૂપો મળે છે. આ પૈકી બરફ VIIનું ગલનબિંદુ 20,000 બાર જેટલા દબાણે 100° સે. જેટલું ઊંચું હોય છે.

બરફની સંરચના ઘણાખરા સામાન્ય અકાર્બનિક આયનો કે કાર્બનિક અણુઓને યોગ્ય માપનાં સ્થાન (sites) કે બંધકારક પર્યાવરણ પૂરું પાડતી ન હોવાથી આવા પદાર્થોના દ્રાવણને ઠારવાથી છૂટો પડતો બરફ દ્રાવણ કરતાં વધુ શુદ્ધ હોય છે. દરિયાના પાણીનું વિક્ષારીકરણ (desalination) કરી શુદ્ધ પાણી મેળવવાની પદ્ધતિનો આ પાયો છે.

બરફનો ઉપયોગ વિવિધ પ્રકારનાં પીણાંને અત્યંત ઠંડાં કરવામાં થાય છે. આઇસક્રીમ બનાવવામાં પણ તેનો ઉપયોગ જાણીતો છે. ખાદ્ય ઉદ્યોગ તેનો ઉપયોગ ફળફળાદિ, માછલી, શાકભાજી, માંસ વગેરે બગડી ન જાય તે માટે કરે છે. શરીરને ઈજા થઈ હોય ત્યારે કેટલીક સારવારમાં પણ તે વપરાય છે. દાઝી ગયેલા ભાગ ઉપર બરફ મૂકવાની તેમજ ઊલટી થતી હોય તો બરફ ચૂસવાની સલાહ અપાય છે. ઘા પડ્યો હોય તો લોહી બંધ કરવા માટે તથા ઈજાગ્રસ્ત ભાગ ઉપર સોજો ન આવે તે માટે પણ બરફ વપરાય છે. ત્વરિત–મિશ્રિત કૉંક્રીટને ઠંડો કરવા પણ તે વપરાય છે. ઊંચા તાપમાનવાળો આવો કૉંક્રીટ ઝડપથી જામી જતાં તેમાં પાછળથી તિરાડ પડે છે. જ્યારે તેમાં બરફ ઉમેરવાથી તે ધીમે ધીમે કઠણ થાય છે અને તિરાડ પડતી નથી. બરફમાં નવસાર, મીઠું વગેરે પદાર્થો ઉમેરવાથી મળતા ઠારમિશ્રણનો ઉપયોગ પ્રયોગશાળામાં અને અન્યત્ર નીચાં તાપમાનો મેળવવા થાય છે. [નોંધ : સૂકા બરફ (dry ice) તરીકે ઓળખાતો પદાર્થ રાસાયણિક ર્દષ્ટિએ પાણીનો બરફ નથી, પણ તે ઘન કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ છે. પ્રવાહી સ્વરૂપમાં આવ્યા વિના તે સીધો જ વાયુ સ્વરૂપમાં ફેરવાય છે.]

ઈન્દ્રવદન મનુભાઈ ભટ્ટ