धडा १३: कार्बन – एक महत्त्वाचे मूलद्रव्य

नियम 1 : कार्बनविषयी तथ्ये — कार्बन : संज्ञा C, अणुअंक 6, अणुवस्तुमान 12, इलेक्ट्रॉन संरूपण 2, 4, संयुजा 4; अधातू मूलद्रव्य. नाव लॅटिन carbo = कोळसा यावरून. पृथ्वीच्या कवचात सुमारे 0.27% आणि वातावरणात (CO₂ रूपात) सुमारे 0.03%. तो हिरा व ग्रॅफाइट म्हणून मुक्त आणि CO₂, कार्बोनेट, जीवाश्म इंधने, कर्बोदके, प्रथिने, मेद आणि कापूस, लोकर, रेशीम अशा धाग्यांत संयुक्त रूपात आढळतो.

• सोपे : कार्बनचे इलेक्ट्रॉन 2, 4 आहेत, म्हणून संयुजा 4.
• मध्यम : 1000 kg खडकाच्या कवचात 0.27% कार्बन असता तर 1000 × 0.27 ÷ 100 = 2.7 kg कार्बन असता.
• परीक्षेसाठी : साखर, कापूस, लोकर, रेशीम सजीवांपासून येतात म्हणून सेंद्रिय; संगमरवर (CaCO₃) खनिजापासून येतो म्हणून अजैविक, जरी त्यात कार्बन आहे.

नियम 2 : सेंद्रिय रसायन आणि अपरूपता — वनस्पती व प्राण्यांपासून मिळणारी संयुगे सेंद्रिय आणि खनिजांपासून मिळणारी अजैविक. सर्व सेंद्रिय संयुगांत कार्बन असतो, DNA आणि RNA सुद्धा. वोहलर यांनी अजैविक अमोनियम सायनेटपासून युरिया बनवला, म्हणून सेंद्रिय रसायन म्हणजे कार्बन संयुगांचे रसायन. अपरूपतेत रूपांचे रासायनिक गुणधर्म सारखे पण भौतिक गुणधर्म वेगळे असतात (कार्बन, गंधक, फॉस्फरस). कार्बनची स्फटिकरूप अपरूपे : हिरा, ग्रॅफाइट, फुलेरीन.

• सोपे : हिरा, ग्रॅफाइट आणि फुलेरीन ही कार्बनची स्फटिकरूप अपरूपे.
• मध्यम : हिरा जळून फक्त CO₂ देतो, यावरून तो शुद्ध कार्बन आहे हे समजते.
• परीक्षेसाठी : गंधकालाही अपरूपे आहेत, म्हणून अपरूपता फक्त कार्बनपुरती नाही.

फरक ओळखा

आकृतीत : आकृतीत हिरा आणि ग्रॅफाइट दोन्ही शुद्ध कार्बन आहेत पण अणूंची मांडणी वेगळी आहे.

नियम 1 : हिरा — प्रत्येक कार्बन चार इतरांशी जोडलेला, त्रिमितीय रचना. सर्वात कठीण नैसर्गिक पदार्थ; घनता 3.5 g/सेमी³, वितळणबिंदू 3500 °C. 800 °C ला ऑक्सिजनमध्ये जळून फक्त CO₂ देतो; अविद्राव्य, आम्ल व आम्लारींचा परिणाम नाही; मुक्त इलेक्ट्रॉन नसल्याने कमी वाहक. उपयोग : काच कापणे, खडक भोके पाडणे, दागिने, डोळ्याच्या शस्त्रक्रियेची सुरी, पॉलिश, किरणोत्सारापासून संरक्षक खिडक्या. गोवळकोंडा आणि पन्ना येथे सापडतो.

• सोपे : हिरा सर्वात कठीण नैसर्गिक पदार्थ आहे.
• मध्यम : 10 सेमी³ हिऱ्याचे वस्तुमान 10 × 3.5 = 35 g.
• परीक्षेसाठी : हिरा वीज वाहत नाही कारण प्रत्येक कार्बनचे चारही संयुजा इलेक्ट्रॉन बंधांत अडकलेले असतात, मुक्त इलेक्ट्रॉन उरत नाहीत.

नियम 2 : ग्रॅफाइट — प्रत्येक कार्बन तीन इतरांशी षटकोनी थरांत जोडलेला. एक थर म्हणजे ग्रॅफीन (graphene). थर एकमेकांवर घसरतात, म्हणून ग्रॅफाइट काळे, मऊ, ठिसूळ आणि निसरडे. मुक्त इलेक्ट्रॉनांमुळे चांगले वाहक. घनता 1.9 ते 2.3 g/सेमी³. उपयोग : पेन्सिलचे शिसे (मातीसह), वंगण, विद्युतग्र, रंग व पॉलिश, आर्क दिवे.

• सोपे : पेन्सिलची रेघ ग्रॅफाइटचे थर कागदावर घसरून पडल्याने बनते.
• मध्यम : मुक्त इलेक्ट्रॉनांमुळे ग्रॅफाइट हिऱ्याच्या उलट चांगले वाहक आहे.
• परीक्षेसाठी : ग्रॅफाइट विद्युतग्र आणि वंगण म्हणून वापरतात, कारण ते वीज वाहते आणि त्याचे थर घसरतात.

नियम 3 : फुलेरीन — क्वचित आढळते : काजळीत आणि आंतरतारकीय अवकाशात. C₆₀ म्हणजे बकमिन्स्टरफुलेरीन, वास्तुशिल्पकार रिचर्ड बकमिन्स्टर फुलर यांच्या नावावरून. क्रोटो, कर्ल आणि स्मॅली यांना 1996 चे नोबेल. बकीबॉल आणि बकीट्यूबमध्ये 30 ते 900 कार्बन अणू. सेंद्रिय द्रावकांत विरघळते; विद्युतरोधक आणि पाणी शुद्धीकरणात उत्प्रेरक म्हणून वापर; विशिष्ट तापमानाला अतिवाहक होते.

• सोपे : C₆₀ हा 60 कार्बन अणूंचा बनलेला गोळा आहे.
• मध्यम : फुलेरीन 1985 मध्ये सापडले आणि शोधकांना 1996 चे नोबेल मिळाले.
• परीक्षेसाठी : C₆₀ चे 3 गोळे 3 × 60 = 180 कार्बन अणू धरतात.

फरक ओळखा

आकृतीत : आकृतीत कोळशाचे चार प्रकार दाखवले आहेत.

नियम 1 : कोळसा, कोक आणि चारकोल — कोळसा हे जीवाश्म इंधन; त्यात कार्बन, हायड्रोजन, ऑक्सिजन (आणि N, P, S). कार्बनच्या प्रमाणानुसार चार प्रकार : पीट (60% पेक्षा कमी, पहिली पायरी), लिग्नाइट (60 ते 70%), बिट्युमिनस कोळसा (70 ते 90%) आणि ॲन्थ्रासाइट (सुमारे 95%, कठीण, सर्वात शुद्ध). चारकोल हाडे व शिंगांपासून किंवा थोड्या हवेत जाळलेल्या लाकडापासून मिळतो. कोळशातून कोळसा वायू काढल्यावर उरलेला शुद्ध कोळसा म्हणजे कोक; तो इंधन व क्षपणकारक असून पाणी वायू व निर्मिती वायू बनवायला वापरतात.

• सोपे : ॲन्थ्रासाइटमध्ये सर्वाधिक कार्बन (सुमारे 95%).
• मध्यम : कार्बन वाढत्या क्रमाने : पीट, लिग्नाइट, बिट्युमिनस, ॲन्थ्रासाइट.
• परीक्षेसाठी : कोळशाच्या नमुन्यात 80% कार्बन आहे, म्हणजे 70 ते 90% या मर्यादेत, म्हणून तो बिट्युमिनस कोळसा.

नियम 2 : हायड्रोकार्बन — हायड्रोकार्बनमध्ये फक्त कार्बन आणि हायड्रोजन असतात. कार्बन इलेक्ट्रॉन वाटून चार सहसंयुज बंध बनवतो (मिथेन CH₄). सहसंयुज संयुगांचे वितळणबिंदू व उत्कलनबिंदू कमी, पाण्यात अविद्राव्य, सेंद्रिय द्रावकांत विद्राव्य आणि कमी वाहक. संतृप्त हायड्रोकार्बनमध्ये फक्त एकेरी बंध (इथेन C₂H₆, प्रोपेन C₃H₈). असंतृप्त मध्ये दुहेरी किंवा तिहेरी बंध (इथीन C₂H₄, इथाइन C₂H₂, प्रोपीन, प्रोपाइन).

• सोपे : मिथेन CH₄ : 1 कार्बन, 4 हायड्रोजन, चार एकेरी बंध.
• मध्यम : इथेन C₂H₆ मध्ये फक्त एकेरी बंध, म्हणून संतृप्त; इथीन C₂H₄ मध्ये दुहेरी बंध, म्हणून असंतृप्त.
• परीक्षेसाठी : मिथेनमध्ये वस्तुमानानुसार 12 ÷ 16 × 100 = 75% कार्बन (C = 12, H = 1, वस्तुमान 16).

फरक ओळखा

आकृतीत : आकृतीत CO₂ मुळे चुन्याची निवळी दुधाळ होते.

नियम 1 : आढळ आणि निर्मिती — हवेत सुमारे 0.03% आणि बाहेर सोडलेल्या श्वासात सुमारे 4% CO₂. तो खडू, संगमरवर, चुनखडीत असतो आणि लाकूड व कोळसा जाळताना बाहेर पडतो. निर्मिती : CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂. त्यामुळे चुन्याची निवळी दुधाळ होते (CaCO₃ तयार होतो). NaOH सोबत सोडियम कार्बोनेट (धुण्याचा सोडा) आणि सोडियम कार्बोनेट द्रावणासोबत सोडियम बायकार्बोनेट (बेकिंग सोडा) मिळतो.

• सोपे : चुन्याच्या निवळीत स्ट्रॉने फुंकले की ती दुधाळ होते, कारण बाहेर सोडलेल्या श्वासात CO₂ असतो.
• मध्यम : CO₂ चे वस्तुमान = 12 + 2 × 16 = 44. 44 g CO₂ मध्ये 12 g कार्बन असतो.
• परीक्षेसाठी : 22 g CO₂ हे 44 g चे निम्मे, म्हणून त्यात 12 ÷ 2 = 6 g कार्बन. समतोल : CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂ मध्ये दोन्ही बाजूंना Ca 1, C 1, O 3, H 2, Cl 2.

नियम 2 : उपयोग आणि अग्निशामक — उपयोग : वायुमिश्रित पेये, थंड साठवणीसाठी व धुक्याच्या परिणामासाठी घन CO₂ (ड्राय आइस), अग्निशामक, कॉफीतून कॅफीन काढणे, ड्राय क्लीनिंग आणि प्रकाशसंश्लेषण. सल्फ्यूरिक आम्ल सोडियम बायकार्बोनेटला भेटले की अग्निशामक CO₂ सोडतो. CO₂ गंज आणत नाही आणि वीज वाहत नाही, म्हणून विजेच्या आगीसाठी योग्य, पण फक्त लहान आगींसाठी.

• सोपे : ड्राय आइस रंगमंचावर पांढरे धुके बनवतो. (हातांनी न हाताळता चिमट्याने उचलावा.)
• मध्यम : अग्निशामकात NaHCO₃ + H₂SO₄ मधून CO₂ मिळतो.
• परीक्षेसाठी : विद्युत फलकातील लहान आग CO₂ अग्निशामकाने विझवता येते, कारण CO₂ वीज वाहत नाही. पाणी वापरू नये.

फरक ओळखा

आकृतीत : आकृतीत जैववायू कचऱ्याच्या अवायुजीवी विघटनातून मिळतो.

नियम 1 : मिथेन — मिथेन (वस्तुमान 16) नैसर्गिक वायूत 87%. तो अवायुजीवी विघटनाने बनतो आणि जैववायू, कोळशाच्या खाणी आणि दलदलीत (marsh gas) सापडतो. रंगहीन; वितळणबिंदू −182.5 °C आणि उत्कलनबिंदू −161.5 °C; द्रव मिथेन पाण्यापेक्षा हलका आणि वायू पाण्यात थोडाच विरघळतो. तो निळसर ज्योतीने जळतो : CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + उष्णता. प्रकाशात क्लोरिनशी अभिक्रिया (क्लोरिनीकरण). औद्योगिक व घरगुती इंधन. व्होल्टा यांनी शोधला (1776 ते 1778).

• सोपे : मिथेन निळसर ज्योतीने जळतो.
• मध्यम : CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O : डावीकडे 16 + 64 = 80 g; उजवीकडे 44 + 36 = 80 g. वस्तुमान टिकते.
• परीक्षेसाठी : मिथेनचा उत्कलनबिंदू −161.5 °C, म्हणून सामान्य दिवशी तो वायू आहे; केल्विनमध्ये 273 − 161.5 = 111.5 K.

नियम 2 : जैववायू — जैववायूत 55 ते 60% मिथेन आणि बाकी बहुतेक CO₂. शेण, सुकी पाने आणि ओला कचरा यांपासून अवायुजीवी सूक्ष्मजीव दोन टप्प्यांत बनवतात : आधी सेंद्रिय आम्ले, मग मिथेननिर्मिती करणारे जिवाणू मिथेन बनवतात. उरलेले खत उपयुक्त उप-उत्पादन.

• सोपे : जैववायू संयंत्र शेण आणि स्वयंपाकघरातील कचऱ्याचे इंधन आणि खत करते.
• मध्यम : 60% मिथेन असलेल्या 100 L जैववायूत 100 × 60 ÷ 100 = 60 L मिथेन.
• परीक्षेसाठी : 55% मिथेन असलेल्या 40 L जैववायूत 40 × 55 ÷ 100 = 22 L मिथेन.

फरक ओळखा