From the metals in our phones to the fuels that power our lives, materials and energy are linked by chemistry. This unit covers metallurgy (extraction steps), ceramics, composites and semiconductors, X-ray crystallography, fossil fuels and petrochemicals, energy density vs specific energy, and nuclear and solar energy.
مواد اور توانائی کیمسٹری سے جڑے ہیں۔ اس یونٹ میں میٹلرچی (ایکسٹریکشن کے مراحل)، سیرامکس، کمپوزٹس، سیمی کنڈکٹرز، ایکس رے کرسٹلوگرافی، فوسل فیولز، پیٹروکیمیکلز، اور نیوکلیئر و شمسی توانائی شامل ہیں۔
Metallurgy follows these steps: mining the ore, concentration (removing gangue), conversion to oxide (roasting sulphide ores, calcination of carbonate ores), reduction to the metal, refining, and alloying. The reduction method depends on reactivity: reactive metals (Al, Na) need electrolysis; moderately reactive metals (Fe, Zn) are reduced by carbon or carbon monoxide; unreactive metals (Au) occur free.
Carbonate ore example: mining → concentration → calcination → reduction — the most efficient sequence for a metal occurring primarily as a carbonate. Aluminium from its oxide is extracted by electrolysis, not by carbon reduction, because aluminium is more reactive than carbon — carbon cannot displace it. Hematite reduction: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Carbon is added, but carbon monoxide is the actual reducing agent: CO is a gas, so it reaches every part of the furnace and contacts the ore far more efficiently than solid carbon.
میٹلرچی کے مراحل: کان کنی، کنسنٹریشن (گینگ ہٹانا)، آکسائیڈ میں تبدیلی (سلفائیڈ کی روسٹنگ، کاربونیٹ کی کیلسینیشن)، ریڈکشن، ریفائننگ۔ ریڈکشن کا طریقہ ری ایکٹیویٹی پر منحصر ہے: زیادہ ری ایکٹو میٹلز (Al) کو الیکٹرولائسز چاہیے۔
کاربونیٹ ایسک: کان کنی → کنسنٹریشن → کیلسینیشن → ریڈکشن۔ ایلومینیم الیکٹرولائسز سے نکالا جاتا ہے کیونکہ یہ کاربن سے زیادہ ری ایکٹو ہے۔ ہیماٹائٹ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ — اصل ریڈیوسنگ ایجنٹ CO گیس ہے۔
Ceramics (clay, brick, porcelain) are hard, heat-resistant, brittle solids with high melting points — which makes them suitable for furnace bricks. They are electrical insulators. Composites combine two materials: a matrix and a reinforcement. In fibreglass, the matrix (polyester resin) holds the reinforcement (glass fibres) in place, while the fibres provide the strength.
Adding zinc to copper to form brass makes a stronger material than pure copper because the different-sized zinc atoms disrupt the regular copper lattice (microstructure), making it harder for layers of atoms to slide past each other. Semiconductors (silicon, germanium) conduct electricity only under certain conditions; doping and their use in transistors, solar cells and computer chips are their modern applications — two named in the text are silicon (chips, solar panels) and germanium (early transistors, fibre optics).
سیرامکس سخت، حرارت سے محفوظ، ٹوٹنے والے ٹھوس ہیں جن کے میلٹنگ پوائنٹس زیادہ ہیں — اس لیے فرنس کی اینٹوں کے لیے موزوں ہیں۔ کمپوزٹس میں دو مواد ہوتے ہیں: میٹرکس اور رینفورسمنٹ۔ فائبرگلاس میں میٹرکس (پالئیےسٹر ریزن) رینفورسمنٹ (شیشے کے ریشے) کو تھامے رکھتا ہے۔
تانبے میں زنک ملا کر پیتل بنانا اسے خالص تانبے سے مضبوط بناتا ہے کیونکہ مختلف سائز کے زنک ایٹمز باقاعدہ لیٹس کو بگاڑ دیتے ہیں۔ سیمی کنڈکٹرز (سلیکان، جرمینیم) خاص حالات میں بجلی چلاتے ہیں۔
Mechanical recycling has a major limitation: polymer degradation — chains shorten and quality falls each cycle. Mobile-phone recycling is difficult because of mixed materials that are hard to separate. Chemical recycling (depolymerisation) breaks polymers back to monomers, giving virgin-quality material, but needs more energy.
X-ray crystallography determines atomic structures: X-rays have wavelengths matching interatomic distances, so they diffract off the regularly arranged atoms in a crystal, producing a diffraction pattern. Analysing the pattern reveals the positions of atoms. Applications in science and industry: determining protein and drug structures, identifying minerals and materials, quality control of crystals and alloys.
میکانیکل ری سائیکلنگ کی بڑی حد پولیمر ڈیگریڈیشن ہے — ہر سائیکل میں چینز چھوٹی اور معیار کم ہوتا ہے۔ موبائل ری سائیکلنگ مکسڈ میٹیریلز کی وجہ سے مشکل ہے۔ کیمیکل ری سائیکلنگ پولیمر کو واپس مونومرز میں توڑ دیتی ہے۔
ایکس رے کرسٹلوگرافی سے ایٹموں کی پوزیشن معلوم ہوتی ہے: ایکس رے کی ویولنتھ ایٹموں کے فاصلے جتنی ہوتی ہے، اس لیے کرسٹل سے ڈفریکٹ ہو کر پیٹرن بناتی ہے۔ استعمالات: پروٹین/دوا کی ساخت، منرلز کی شناخت، کوالٹی کنٹرول۔
Fossil fuels (coal, oil, natural gas) are formed from ancient organic matter. Fractional distillation separates crude oil into fractions by boiling point: gases, petrol, naphtha, kerosene, diesel, lubricating oil, bitumen. The separation works because different-sized molecules have different intermolecular forces and therefore different boiling points.
Petrochemicals are chemicals made from oil and gas: benzene, toluene and xylene (from coal/oil) are used in dyes and solvents; alkenes from cracking (breaking long chains into shorter, more useful ones) feed the plastics industry. Roasting sulphide ores poses a greater environmental challenge than calcination of carbonate ores because roasting releases sulphur dioxide (SO₂), which causes acid rain, while calcination releases only CO₂.
فوسل فیولز (کوئلہ، تیل، قدرتی گیس) قدیم نامیاتی مادے سے بنتے ہیں۔ فریکشنل ڈسٹلیشن خام تیل کو بوائلنگ پوائنٹ کے حساب سے الگ کرتی ہے: گیسز، پیٹرول، نیفتھا، کیروسین، ڈیزل، بٹومین۔
پیٹروکیمیکلز: بینزین، ٹولوین، زائلین ڈائز اور سالونٹس میں استعمال ہوتے ہیں؛ کریکنگ سے الکینز ملتے ہیں جو پلاسٹک انڈسٹری کا خام مال ہیں۔ سلفائیڈ ایسک کی روسٹنگ SO₂ خارج کرتی ہے جو تیزابی بارش کا سبب ہے — اس لیے کاربونیٹ کی کیلسینیشن سے زیادہ ماحولیاتی چیلنج ہے۔
Energy density is energy per unit volume; specific energy is energy per unit mass. Example: hydrogen has a very high specific energy (per kg) but a low energy density (per litre as a gas) — that is why storing hydrogen is hard. Nuclear fission involves splitting nuclei (e.g. ²³⁵U + n → fission fragments + 2–3 neutrons + energy); a chain reaction happens when the released neutrons split further nuclei.
Nuclear fission advantages: huge energy from small fuel mass, no CO₂ during generation. Disadvantages: radioactive waste that must be stored safely for thousands of years, risk of accidents, and high plant costs. Solar energy is renewable and environmentally friendly, produces no pollution during use, and is cost-effective in the long run with low maintenance — but it is intermittent, so batteries are included in many solar systems to store energy for night-time and cloudy days. Why do nuclear reactions release much more energy than chemical reactions? They change the nucleus itself (mass converted to energy, E = mc²), while chemical reactions only rearrange electrons.
انرجی ڈینسٹی فی یونٹ حجم توانائی ہے؛ اسپیسیفک انرجی فی یونٹ ماس توانائی ہے۔ مثال: ہائیڈروجن کی اسپیسیفک انرجی بہت زیادہ لیکن انرجی ڈینسٹی کم ہے۔ نیوکلیئر فشن میں نیوکلیائی تقسیم ہوتے ہیں (²³⁵U + n → ٹکڑے + نیوٹرونز + توانائی)؛ چین ری ایکشن میں خارج شدہ نیوٹرونز مزید نیوکلیائی تقسیم کرتے ہیں۔
فشن کے فوائد: کم ایندھن سے بہت توانائی، CO₂ نہیں۔ نقصانات: تابکار فضلہ، حادثات کا خطرہ۔ شمسی توانائی قابل تجدید اور ماحول دوست ہے لیکن وقفے وقفے سے ملتی ہے، اس لیے سولر سسٹمز میں بیٹریاں شامل ہوتی ہیں۔
یہ exercise کتاب کے printed pages 214–228 سے لی گئی ہے — تمام سوال کتاب کے اپنے ہیں, جواب کے ساتھ: Multiple Choice (8), Short Answer (8), Constructed Response (5) اور Descriptive (3). اس chapter کی exercise کے چاروں حصے یہاں موجود ہیں; کوئی سوال invent نہیں کیا گیا.
1. A mining engineer discovers a new deposit of a metal that occurs primarily as a carbonate. Which sequence is most efficient for the extraction of metals?
Answer: (b) Carbonate ores are converted to oxides by calcination (heating to release CO₂), then reduced. جواب: کاربونیٹ ایسک کیلسینیشن سے آکسائیڈ میں بدلتا ہے، پھر ریڈکشن ہوتی ہے۔
2. The extraction of aluminium from its oxide is done by electrolysis and not by calcination because:
Answer: (c) Carbon cannot reduce aluminium oxide because aluminium is more reactive than carbon — only electrolysis works. جواب: ایلومینیم کاربن سے زیادہ ری ایکٹو ہے، اس لیے کاربن اسے ریڈیوس نہیں کر سکتا۔
3. Which property makes ceramics suitable for furnace bricks?
Answer: (c) Ceramics withstand furnace temperatures because of their high melting points. جواب: سیرامکس زیادہ میلٹنگ پوائنٹ کی وجہ سے فرنس کا درجہ حرارت برداشت کرتے ہیں۔
4. In fiberglass, the matrix mainly:
Answer: (c) The matrix (resin) holds the glass-fibre reinforcement; the fibres provide the strength. جواب: میٹرکس رینفورسمنٹ کو تھامتا ہے؛ ریشے طاقت دیتے ہیں۔
5. Major limitation of mechanical recycling is:
Answer: (b) Each mechanical cycle shortens polymer chains and lowers quality. جواب: ہر میکانیکل سائیکل میں پولیمر چینز چھوٹی ہوتی ہیں۔
6. The mobile phone recycling is difficult because of:
Answer: (b) Phones mix many materials (metals, glass, plastics, ceramics) that are hard to separate. جواب: فونز میں کئی مواد ملے ہوتے ہیں جنہیں الگ کرنا مشکل ہے۔
7. Chemicals from coal used in dyes are:
Answer: (b) Aromatic compounds from coal (BTX) are dye and solvent feedstocks. جواب: کوئلے سے بینزین، ٹولوین، زائلین ڈائز کا خام مال ہیں۔
8. Nuclear fission involves:
Answer: (b) Fission splits a heavy nucleus into smaller fragments plus neutrons and energy. جواب: فشن میں بھاری نیوکلیئس چھوٹے ٹکڑوں میں تقسیم ہوتا ہے۔
Answer: A self-sustaining sequence: one fission releases 2–3 neutrons, which split further ²³⁵U nuclei, each releasing more neutrons and energy. Controlled by control rods in a reactor; uncontrolled, it is an explosion. جواب: ایک فشن سے نکلنے والے نیوٹرونز مزید نیوکلیائی تقسیم کرتے ہیں — یہ سلسلہ خود چلتا رہتا ہے۔
Answer: Reprocessing radioactive waste is extremely expensive: it needs heavily shielded, remote facilities, strict safety regulation, long-term storage for thousands of years, and public opposition adds cost and delay. جواب: تابکار فضلے کی ری پراسیسنگ بہت مہنگی ہے: محفوظ تنصیبات، سخت ضوابط، ہزاروں سال کا ذخیرہ۔
Answer: Pure copper has a regular lattice whose layers slide easily (soft, ductile). Zinc atoms are a different size, so they distort the lattice and block the sliding of layers — the alloy is harder and stronger. جواب: خالص تانبے کی باقاعدہ لیٹس آسانی سے پھسلتی ہے۔ زنک کے مختلف سائز کے ایٹمز لیٹس کو بگاڑ کر پھسلنا روکتے ہیں۔
Answer: Energy density is the energy released per unit volume of a fuel. Example: petrol has a high energy density (about 34 MJ per litre), which is why it is convenient for transport. جواب: انرجی ڈینسٹی = فی یونٹ حجم توانائی۔ مثال: پیٹرول (~34 MJ فی لیٹر)۔
Answer: Silicon: computer chips and solar panels. Germanium: early transistors and fibre-optic systems. جواب: سلیکان: کمپیوٹر چپس، سولر پینلز۔ جرمینیم: ٹرانزسٹرز، فائبر آپٹکس۔
Answer: (1) Determining the structures of proteins, drugs and new materials. (2) Identifying minerals and checking crystal quality in industry. جواب: (1) پروٹینز/ادویات کی ساخت معلوم کرنا (2) منرلز کی شناخت اور کوالٹی کنٹرول۔
Answer: Advantages: (1) very large energy from a small mass of fuel; (2) no carbon dioxide during electricity generation. Disadvantage: long-lived radioactive waste that must be stored safely. جواب: فوائد: کم ایندھن سے بہت توانائی، CO₂ نہیں۔ نقصان: طویل مدتی تابکار فضلہ۔
Answer: CO is a gas, so it flows through the furnace and contacts all the ore particles, while solid carbon only touches ore at points of contact. Gaseous reduction is therefore faster and more complete on a large scale. جواب: CO گیس ہے، اس لیے پورے فرنس میں پھیل کر ہر ایسک ذرے سے ملتی ہے؛ ٹھوس کاربن صرف رابطے کی جگہ پر کام کرتا ہے۔
Answer: Burning fossil fuels releases CO₂ (global warming/climate change), SO₂ and nitrogen oxides (acid rain, respiratory illness), particulates (smog), and oil spills damage ecosystems. Mining and extraction also destroy habitats. The book's Quick Check also notes energy shortages, high fuel prices and climate problems pushing the switch to renewables. جواب: فوسل فیولز سے CO₂ (گلوبل وارمنگ)، SO₂ (تیزابی بارش)، دھواں اور تیل کے رساؤ سے ماحولیاتی نقصان ہوتا ہے۔
Answer: Roasting: e.g. 2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂ — sulphur dioxide is released, causing acid rain and breathing problems, and must be captured (e.g. to make sulphuric acid). Calcination: e.g. CaCO₃ → CaO + CO₂ — only carbon dioxide is released, a greenhouse gas but not an acid-rain pollutant. جواب: روسٹنگ سے SO₂ نکلتا ہے (تیزابی بارش)؛ کیلسینیشن سے صرف CO₂ نکلتا ہے۔
Answer: Electrical wiring needs very high conductivity, and even 2% impurities (especially other metals and oxides) scatter electrons and sharply raise resistance, causing energy loss and heating. Electrolytic refining gives 99.99% pure copper for wiring. جواب: بجلی کی تاروں کے لیے بہت زیادہ پیورٹی چاہیے: 2% نجاست بھی مزاحمت بہت بڑھا دیتی ہے۔
Answer: Chemical recycling breaks the polymer back to its monomers, which can be re-polymerised into virgin-quality plastic, removing dyes and contaminants. Mechanical recycling only melts and reshapes, so chains degrade and quality falls each cycle, and mixed/contaminated waste cannot be handled. جواب: کیمیکل ری سائیکلنگ پولیمر کو مونومرز میں توڑ کر نئے جیسا پلاسٹک بناتی ہے؛ میکانیکل میں معیار ہر بار گرتا ہے۔
Answer: Gold is unreactive (bottom of the reactivity series): it does not form compounds readily, so it is found free and needs only physical separation. Sodium is highly reactive (top of the series): it always occurs in compounds (e.g. NaCl), and extracting it needs electrolysis of molten salt — a very energy-intensive process. جواب: سونا غیر ری ایکٹو ہے، آزاد حالت میں ملتا ہے۔ سوڈیم بہت ری ایکٹو ہے، ہمیشہ مرکبات میں ملتا ہے اور اس کے حصول کے لیے توانائی سے بھرپور الیکٹرولائسز چاہیے۔
Answer: A composite combines two materials for properties neither has alone. The matrix (e.g. polyester resin in fibreglass, cement in concrete) binds the material together, holds the reinforcement in place, protects it and transfers loads to it. The reinforcement (glass fibres, steel rods) provides strength and stiffness. Matrix = binder/protector; reinforcement = load-bearer. جواب: میٹرکس جوڑتا، تھامتا اور حفاظت کرتا ہے؛ رینفورسمنٹ طاقت اور سختی دیتا ہے۔
Answer: X-rays have wavelengths (~0.1 nm) similar to the spacing between atoms. When they hit a crystal, they scatter off the regularly spaced atomic planes; scattered waves interfere constructively only at certain angles (Bragg's law, nλ = 2d sinθ), producing a pattern of spots. Measuring spot positions and intensities lets crystallographers calculate the electron-density map and hence the positions of atoms in the crystal. جواب: ایکس رے کرسٹل کے ایٹموں سے ڈفریکٹ ہو کر پیٹرن بناتے ہیں؛ بریگ کے قانون سے ایٹموں کی پوزیشن معلوم ہوتی ہے۔
Answer: Mining the ore; concentration (removing gangue by physical methods); conversion to oxide by roasting (sulphides) or calcination (carbonates); reduction (carbon/CO for less reactive metals, electrolysis for reactive ones); refining (e.g. electrolysis for copper) to the required purity; and alloying if needed. جواب: کان کنی، کنسنٹریشن، آکسائیڈ میں تبدیلی، ریڈکشن، ریفائننگ، ایلوئنگ۔
Materials and Energy — Metallurgy follows these steps: mining the ore, concentration (removing gangue), conversion to oxide (roasting sulphide ores, calcination of carbonate ores), reduction to the metal, refining, and alloying. Ceramics (clay, brick, porcelain) are hard, heat-resistant, brittle solids with high melting points — which makes them suitable for furnace bricks. Mechanical recycling has a major limitation: polymer degradation — chains shorten and quality falls each cycle. Fossil fuels (coal, oil, natural gas) are formed from ancient organic matter. Energy density is energy per unit volume; specific energy is energy per unit mass.
Revision guidance: پہلے 8 MCQs خود حل کرو, پھر جواب ملاؤ; short اور constructed-response سوالوں کو اپنے الفاظ میں لکھ کر practice کرو; descriptive سوالوں (3) کے لیے ہر section کی headings یاد رکھو. جو formula یا equation اس chapter میں ہے, اسے لکھ کر یاد کرو — رٹا نہیں, سمجھ کر.
میٹلرچی کے مراحل: کان کنی، کنسنٹریشن (گینگ ہٹانا)، آکسائیڈ میں تبدیلی (سلفائیڈ کی روسٹنگ، کاربونیٹ کی کیلسینیشن)، ریڈکشن، ریفائننگ۔ ریڈکشن کا طریقہ ری ایکٹیویٹی پر منحصر ہے: زیادہ ری ایکٹو میٹلز (Al) کو الیکٹرولائسز چاہیے۔کاربونیٹ ایسک: کان سیرامکس سخت، حرارت سے محفوظ، ٹوٹنے والے ٹھوس ہیں جن کے میلٹنگ پوائنٹس زیادہ ہیں — اس لیے فرنس کی اینٹوں کے لیے موزوں ہیں۔ کمپوزٹس میں دو مواد ہوتے ہیں: میٹرکس اور رینفورسمنٹ۔ فائبرگلاس میں میٹرکس (پالئیےسٹر ریزن) رینفورسمنٹ (شیشے کے ریشے) ک میکانیکل ری سائیکلنگ کی بڑی حد پولیمر ڈیگریڈیشن ہے — ہر سائیکل میں چینز چھوٹی اور معیار کم ہوتا ہے۔ موبائل ری سائیکلنگ مکسڈ میٹیریلز کی وجہ سے مشکل ہے۔ کیمیکل ری سائیکلنگ پولیمر کو واپس مونومرز میں توڑ دیتی ہے۔ایکس رے کرسٹلوگرافی سے ایٹموں فوسل فیولز (کوئلہ، تیل، قدرتی گیس) قدیم نامیاتی مادے سے بنتے ہیں۔ فریکشنل ڈسٹلیشن خام تیل کو بوائلنگ پوائنٹ کے حساب سے الگ کرتی ہے: گیسز، پیٹرول، نیفتھا، کیروسین، ڈیزل، بٹومین۔پیٹروکیمیکلز: بینزین، ٹولوین، زائلین ڈائز اور سالونٹس میں استعما انرجی ڈینسٹی فی یونٹ حجم توانائی ہے؛ اسپیسیفک انرجی فی یونٹ ماس توانائی ہے۔ مثال: ہائیڈروجن کی اسپیسیفک انرجی بہت زیادہ لیکن انرجی ڈینسٹی کم ہے۔ نیوکلیئر فشن میں نیوکلیائی تقسیم ہوتے ہیں (²³⁵U + n → ٹکڑے + نیوٹرونز + توانائی)؛ چین ری ایکشن
اس باب کے موضوعات: کچ دھاتوں سے میٹلز کا حصول · سیرامکس، کمپوزٹس اور سیمی کنڈکٹرز · زہریلا پن، ری سائیکلنگ اور ایکس رے کرسٹلوگرافی · فوسل فیولز، پیٹروکیمیکلز اور ریفائننگ · توانائی: ڈینسٹی، نیوکلیئر اور شمسی · مشق
رہنمائی: پہلے MCQs خود حل کریں، پھر جوابات سے ملائیں؛ مختصر اور تعمیری سوالات اپنے الفاظ میں لکھ کر پریکٹس کریں۔
Chapter-wise tests, fresh random papers اور instant score کے لیے PunjabTest.com کا میں test section دیکھو:
PunjabTest.com — Complete Guide Book • FSc Part 2 Chemistry, Chapter 31 (PECTAA New Book, Session 2026–27) • English + Urdu