कार्बन: गुण, संरचना, प्राप्त करना, उपयोग करता है - रसायन विज्ञान - 2025

कार्बन एक गैर है - धातु रासायनिक तत्व जिसका रासायनिक प्रतीक सी कोयला, सब्जी या खनिज, जहां इसकी परमाणुओं विभिन्न संरचनाओं को परिभाषित के नाम पर है। कई लेखक इसे तत्वों के राजा के रूप में अर्हता प्राप्त करते हैं, क्योंकि यह कार्बनिक और अकार्बनिक यौगिकों की एक विस्तृत श्रृंखला बनाता है, और काफी संख्या में अलॉट्रोप भी होता है।

और अगर यह एक विशेष तत्व के रूप में संदर्भित करने के लिए पर्याप्त नहीं है, तो यह सभी जीवित प्राणियों में पाया जाता है; इसके सभी बायोमोलेक्यूल्स सीसी बॉन्ड्स की स्थिरता और शक्ति और उनके उच्च प्रवृत्ति को समाप् त करने के लिए उनके अस्तित्व का श्रेय देते हैं। कार्बन जीवन का तत्व है, और इसके परमाणुओं के साथ उनके शरीर निर्मित होते हैं।

पेड़ों की लकड़ी मुख्य रूप से कार्बोहाइड्रेट से बनी होती है, जो कि कार्बन से भरपूर कई यौगिकों में से एक है। स्रोत: Pexels

जिन कार्बनिक यौगिकों के साथ बायोमैटेरियल्स का निर्माण किया जाता है, उनमें व्यावहारिक रूप से कार्बन कंकाल और हेटेरोटोम होते हैं। इन्हें पेड़ों की लकड़ी में नग्न आंखों से देखा जा सकता है; और भी, जब बिजली उन पर हमला करती है और उन्हें लूटती है। शेष अक्रिय काले ठोस में भी कार्बन होता है; लेकिन यह लकड़ी का कोयला है।

इस प्रकार, इस तत्व की "मृत" अभिव्यक्तियाँ हैं: लकड़ी का कोयला, ऑक्सीजन-गरीब वातावरण में दहन का एक उत्पाद; और खनिज कोयला, भूवैज्ञानिक प्रक्रियाओं का एक उत्पाद। दोनों ठोस एक जैसे दिखते हैं, वे काले होते हैं, और वे गर्मी और ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए जलते हैं; हालांकि विभिन्न पैदावार के साथ।

इस बिंदु से, कार्बन पृथ्वी की पपड़ी में 15 वां सबसे प्रचुर तत्व है। कोई आश्चर्य नहीं जब लाखों टन कोयले का सालाना उत्पादन होता है। ये खनिज उनके गुणों में भिन्नता की डिग्री के आधार पर भिन्न होते हैं, एन्थ्रेसाइट को उच्चतम गुणवत्ता वाले खनिज कोयले के रूप में रखते हैं।

पृथ्वी की पपड़ी न केवल खनिज कोयले में समृद्ध है, बल्कि कार्बोनेट, विशेष रूप से चूना पत्थर और डोलोमाइट्स में भी है। और ब्रह्मांड के बारे में, यह चौथा सबसे प्रचुर तत्व है; मेरा मतलब है, अन्य ग्रहों पर वहाँ अधिक कार्बन है।

कार्बन का इतिहास

पुनरावलोकन

कार्बन पृथ्वी की पपड़ी के समान पुराना हो सकता है। प्राचीन काल से, प्राचीन सभ्यताओं ने अपनी कई प्राकृतिक प्रस्तुतियों में इस तत्व का सामना किया है: कालिख, कोयला, लकड़ी का कोयला, लकड़ी का कोयला, हीरे, ग्रेफाइट, कोयला टार, एन्थ्रेसाइट, आदि।

उन सभी ठोसों, हालांकि उन्होंने अंधेरे टन (हीरे के अपवाद के साथ) साझा किए, उनके भौतिक गुणों के साथ-साथ उनकी संरचना के बाकी हिस्से, उल्लेखनीय रूप से भिन्न थे। तब यह दावा करना असंभव था कि वे अनिवार्य रूप से कार्बन परमाणुओं से युक्त थे।

यह इस प्रकार था कि पूरे इतिहास में, कोयले को जलने और गर्मी प्रदान करने के समय इसकी गुणवत्ता के अनुसार वर्गीकृत किया गया था। और इसके दहन से बनने वाली गैसों के साथ, पानी के द्रव्यमान को गर्म किया गया था, जो बदले में टर्बाइन को स्थानांतरित करने वाले वाष्प का उत्पादन करता था जो विद्युत धाराओं को उत्पन्न करता था।

एक अनियंत्रित तरीके से कार्बन बंद या उपचारात्मक स्थानों में जलते हुए पेड़ों से उत्पन्न लकड़ी का कोयला में मौजूद था; जिस ग्रेफाइट के साथ पेंसिल बनाई गई थी; हीरे में जवाहरात के रूप में इस्तेमाल किया; वह स्टील की कठोरता के लिए जिम्मेदार था।

इसका इतिहास लकड़ी, बारूद, शहर के प्रकाश गैसों, गाड़ियों और जहाजों, बीयर, स्नेहक और मानवता की उन्नति के लिए अन्य आवश्यक वस्तुओं के साथ हाथ से जाता है।

मान्यता

किस बिंदु पर वैज्ञानिक एक ही तत्व के साथ कार्बन के आवंटन और खनिजों को जोड़ने में सक्षम थे? कोयला को एक खनिज के रूप में देखा गया था, और इसे आवर्त सारणी के योग्य रासायनिक तत्व के रूप में नहीं सोचा गया था। पहला कदम यह दिखाना चाहिए था कि ये सभी ठोस एक ही गैस में बदल गए थे: कार्बन डाइऑक्साइड, सीओ ₂ ।

1772 में एंटोनी लावोसियर, बड़े लेंस के साथ एक लकड़ी के फ्रेम का उपयोग करते हुए, चारकोल और एक हीरे के नमूनों पर सूर्य की किरणों पर ध्यान केंद्रित किया। उन्होंने पाया कि उनमें से किसी ने भी पानी के वाष्प नहीं बल्कि CO ₂ का गठन किया था । उन्होंने कालिख के साथ भी ऐसा ही किया और वही परिणाम मिले।

1779 में कार्ल विल्हेम शेहले ने चारकोल और ग्रेफाइट के बीच रासायनिक संबंध पाया; अर्थात् दोनों ठोस एक ही परमाणुओं से बने थे।

1797 में स्मिथसन टेनेन्ट और विलियम हाइड वोलास्टोन ने (प्रतिक्रियाओं के माध्यम से) वैधानिक रूप से सत्यापित किया था कि हीरे वास्तव में अपने दहन में सीओ _{2 का} निर्माण करके कार्बन से बना था ।

इन परिणामों के साथ, जल्द ही ग्रेफाइट और हीरे पर प्रकाश डाला गया, कार्बन द्वारा गठित ठोस पदार्थ, और इसलिए, उच्च शुद्धता का; कोयले और अन्य कार्बोनेस खनिजों के अशुद्ध ठोस के विपरीत।

गुण

ठोस, खनिज, या कार्बोनेटस सामग्रियों में पाए जाने वाले भौतिक या रासायनिक गुण कई प्रकार के होते हैं। उनमें से हैं: अशुद्धियों की संरचना या डिग्री, कार्बन परमाणुओं के संकरण, संरचनाओं की विविधता और छिद्रों का आकारिकी या आकार।

कार्बन के गुणों का वर्णन करते समय, अधिकांश ग्रंथ या ग्रंथ सूची स्रोत ग्रेफाइट और हीरे पर आधारित होते हैं।

क्यों? क्योंकि वे इस तत्व के लिए सर्वश्रेष्ठ ज्ञात अलॉट्रोप हैं और ठोस या उच्च शुद्धता सामग्री का प्रतिनिधित्व करते हैं; यही है, वे व्यावहारिक रूप से कार्बन परमाणुओं से अधिक कुछ नहीं बना रहे हैं (हालांकि विभिन्न संरचनाओं के साथ, जैसा कि अगले भाग में बताया जाएगा)।

चारकोल और खनिज कोयले के गुण क्रमशः उनकी उत्पत्ति या रचनाओं में भिन्न होते हैं। उदाहरण के लिए, ईंधन के रूप में लिग्नाइट (कम कार्बन) एन्थ्रेसाइट (उच्च कार्बन) की तुलना में क्रॉल करता है। और अन्य आवंटियों के बारे में क्या: नैनोट्यूब, फुलरीन, ग्रेफीन, भित्तिचित्र, आदि।

हालांकि, रासायनिक रूप से उनके पास एक बिंदु आम है: वे सीओ ₂ में ऑक्सीजन की अधिकता के साथ ऑक्सीकरण करते हैं:

सी + ओ ₂ => सीओ ₂

अब, जिस गति या तापमान को उन्हें ऑक्सीकरण करने की आवश्यकता होती है, वह इनमें से प्रत्येक आवंटनों के लिए विशिष्ट होती है।

ग्रेफाइट बनाम हीरा

इन दो आवंटियों के लिए बहुत ही अलग गुणों के बारे में एक संक्षिप्त टिप्पणी यहाँ दी जाएगी:

तालिका जिसमें कार्बन के दो क्रिस्टलीय आवंट के कुछ गुणों की तुलना की जाती है। स्रोत: गेब्रियल बोलिवर

संरचना और इलेक्ट्रॉनिक कॉन्फ़िगरेशन

hybridizations

हाइब्रिड ऑर्बिटल्स और कार्बन के लिए संभावित संरचनाओं के बीच संबंध। स्रोत: गेब्रियल बोलिवर

कार्बन परमाणु के लिए इलेक्ट्रॉन विन्यास 1s ² 2s ² 2p ^{2 है}, जिसे 2s ² 2p ² (शीर्ष छवि) भी लिखा जाता है । यह प्रतिनिधित्व इसकी जमीनी स्थिति से मेल खाता है: कार्बन परमाणु को ऐसे वैक्यूम में अलग और निलंबित किया जाता है कि वह दूसरों के साथ बातचीत नहीं कर सकता है।

यह देखा जा सकता है कि इसके 2 पी ऑर्बिटल्स में इलेक्ट्रॉनों की कमी है, जो इलेक्ट्रॉनिक संवर्धन के माध्यम से कम ऊर्जा 2 एस ऑर्बिटल से एक इलेक्ट्रॉन को स्वीकार करता है; और इस प्रकार, परमाणु अपने चार एसपी ³ हाइब्रिड ऑर्बिटल्स के माध्यम से चार सहसंयोजक बांड बनाने की क्षमता प्राप्त करता है ।

ध्यान दें कि सभी चार एसपी ³ ऑर्बिटल्स ऊर्जा पतित (समान स्तर पर संरेखित) हैं। शुद्ध पी ऑर्बिटल्स अधिक ऊर्जावान होते हैं, यही वजह है कि उन्हें अन्य हाइब्रिड ऑर्बिटल्स (छवि के दाईं ओर) के ऊपर रखा जाता है।

यदि तीन हाइब्रिड ऑर्बिटल्स हैं, तो ऐसा इसलिए है क्योंकि एक अनब्रिज्ड पी ऑर्बिटल रहता है; इसलिए, वे तीन sp ² ऑर्बिटल्स हैं । और जब इनमें से दो हाइब्रिड ऑर्बिटल्स होते हैं, तो दो पी ऑर्बिटल्स डबल या ट्रिपल बॉन्ड बनाने के लिए उपलब्ध होते हैं, जो स्पॉन के हाइब्रिडाइजेशन होते हैं।

इस तरह के इलेक्ट्रॉनिक पहलुओं को समझना आवश्यक है कि कार्बन को आवंटियों के शिशुओं में क्यों पाया जा सकता है।

ऑक्सीकरण संख्या

संरचनाओं के साथ जारी रखने से पहले, यह ध्यान देने योग्य है कि, 2s ² 2p ² के इलेक्ट्रॉन विन्यास को देखते हुए, कार्बन में निम्नलिखित ऑक्सीकरण संख्याएं हो सकती हैं: +4, +2, 0, -2 और -4।

क्यों? ये संख्या इस धारणा के अनुरूप है कि एक आयनिक बंधन है जैसे कि आप संबंधित शुल्कों के साथ आयन बनाते हैं; वह है, C ⁴⁺, C ²⁺, C ⁰ (तटस्थ), C ^2- और C ^4- ।

कार्बन के लिए एक सकारात्मक ऑक्सीकरण संख्या है, इसे इलेक्ट्रॉनों को खोना चाहिए; और ऐसा करने के लिए, यह आवश्यक रूप से बहुत ही विद्युतीय परमाणुओं (जैसे ऑक्सीजन) से जुड़ा होना चाहिए।

इस बीच, कार्बन के लिए एक नकारात्मक ऑक्सीकरण संख्या होती है, इसे इलेक्ट्रॉनों को धातु परमाणुओं या इसके मुकाबले कम इलेक्ट्रोनगेटिव (जैसे हाइड्रोजन) के साथ जोड़कर हासिल करना चाहिए।

पहले ऑक्सीकरण संख्या, +4, का अर्थ है कि कार्बन ने अपने सभी वैलेंस इलेक्ट्रॉनों को खो दिया है; 2s और 2p ऑर्बिटल्स खाली रहते हैं। यदि 2p कक्षीय अपने दो इलेक्ट्रॉनों को खो देता है, तो कार्बन में ऑक्सीकरण संख्या +2 होगी; यदि आप दो इलेक्ट्रॉन हासिल करते हैं, तो आपके पास -2 होंगे; और अगर आप अपने वैलेंस ऑक्टेट को पूरा करके दो और इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त करते हैं, -4।

उदाहरण

उदाहरण के लिए, सीओ _{2 के} लिए कार्बन का ऑक्सीकरण संख्या +4 है (क्योंकि ऑक्सीजन अधिक विद्युत प्रवाहित होता है); सीएच _{4 के लिए}, यह -4 है (क्योंकि हाइड्रोजन कम विद्युतीय है)।

सीएच ₃ ओएच के लिए, कार्बन की ऑक्सीकरण संख्या -2 (एच के लिए +1 और ओ के लिए -2) है; HCOOH के लिए, यह +2 है (जाँचें कि योग 0 देता है)।

अन्य ऑक्सीकरण राज्य, जैसे कि -3 और +3, भी संभावना है, खासकर जब यह कार्बनिक अणुओं की बात आती है; उदाहरण के लिए, मिथाइल समूहों में, -CH ₃ ।

आणविक ज्यामिति

ऊपरी छवि ने न केवल कार्बन परमाणु के लिए ऑर्बिटल्स के संकरण को दिखाया, बल्कि परिणामस्वरूप आणविक ज्यामितीय भी जब कई परमाणु (काले गोले) एक केंद्रीय एक से जुड़े थे। अंतरिक्ष में एक विशिष्ट ज्यामितीय वातावरण होने के लिए इस केंद्रीय परमाणु में संबंधित रासायनिक संकरण होना चाहिए जो इसे अनुमति देता है।

उदाहरण के लिए, टेट्राहेड्रॉन के लिए केंद्रीय कार्बन में ³ संकरण है; क्योंकि यह चार एसपी ³ हाइब्रिड ऑर्बिटल्स के लिए सबसे स्थिर व्यवस्था है । एसपी ² कार्बन के मामले में, वे दोहरे बंधन बना सकते हैं और एक त्रिकोणीय विमान का वातावरण हो सकता है; और इसलिए ये त्रिकोण एक सही षट्भुज को परिभाषित करते हैं। और एक sp संकरण के लिए, कार्बन एक रेखीय ज्यामिति को अपनाते हैं।

इस प्रकार, सभी आवंटियों की संरचनाओं में देखे गए ज्यामितीय तत्व केवल टेट्राहेड्रा (sp ³), हेक्सागोन या पेंटागन (² sp) और रेखाएँ (sp) द्वारा नियंत्रित होते हैं ।

टेट्राहेड्रा एक 3 डी संरचना को परिभाषित करते हैं, जबकि हेक्सागोन, पेंटागन और लाइनें, 3 डी या 2 डी संरचनाएं; बाद वाले विमान या चादरें छत्ते की दीवारों के समान होती हैं:

Sp2 कार्बन से बना विमानों के अनुरूप में एक छत्ते की हेक्सागोनल डिजाइन के साथ दीवार। स्रोत: पिक्साबे

और अगर हम इस हेक्सागोनल दीवार (पेंटागोनल या मिश्रित) को मोड़ते हैं, तो हम एक ट्यूब (नैनोट्यूब) या एक गेंद (फुलरीन), या एक और आंकड़ा प्राप्त करेंगे। इन आंकड़ों के बीच बातचीत विभिन्न आकारिकी को जन्म देती है।

अनाकार या क्रिस्टलीय ठोस

कार्बन की संभावित संरचनाओं के ज्यामितीय, संकरण, या आकृति विज्ञान को छोड़कर, इसके ठोस को विश्व स्तर पर दो प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है: अनाकार या क्रिस्टलीय। और इन दो वर्गीकरणों के बीच उनके आवंटियों को वितरित किया जाता है।

अनाकार कार्बन बस एक है जो टेट्राहेड्रा, हेक्सागोन या लाइनों का एक मनमाना मिश्रण प्रस्तुत करता है, जो एक संरचनात्मक पैटर्न स्थापित करने में असमर्थ है; कोयला, लकड़ी का कोयला या सक्रिय लकड़ी का कोयला, कोक, कालिख, आदि का मामला है।

जबकि क्रिस्टलीय कार्बन में संरचनात्मक पैटर्न होते हैं जो प्रस्तावित ज्यामिति में से किसी से बने होते हैं; उदाहरण के लिए, हीरा (टेट्राहेड्रा का त्रि-आयामी नेटवर्क) और ग्रेफाइट (खड़ी हेक्सागोनल शीट)।

प्राप्त

कार्बन ग्रेफाइट या हीरे के रूप में शुद्ध हो सकता है। ये अपने संबंधित खनिज भंडार में पाए जाते हैं, जो दुनिया भर में और विभिन्न देशों में बिखरे हुए हैं। यही कारण है कि कुछ राष्ट्र दूसरों की तुलना में इन खनिजों में से एक के अधिक निर्यातक हैं। संक्षेप में, "आपको पृथ्वी को खोदना है" कार्बन प्राप्त करने के लिए।

यही बात खनिज कोयले और उसके प्रकारों पर भी लागू होती है। लेकिन यह लकड़ी का कोयला के साथ ऐसा नहीं है, क्योंकि कार्बन से समृद्ध एक शरीर को पहले "नाश" होना चाहिए, या तो आग के नीचे, या एक बिजली की बिजली; बेशक, ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में, अन्यथा सीओ ₂ जारी किया जाएगा ।

एक पूरा जंगल चारकोल की तरह एक कार्बन स्रोत है; न केवल इसके पेड़ों के लिए, बल्कि इसके जीवों के लिए भी।

सामान्य तौर पर, कार्बन वाले नमूनों को कुछ अशुद्धियों को गैसों के रूप में छोड़ने के लिए पायरोलिसिस (ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में जलना) से गुजरना चाहिए; और इस प्रकार, कार्बन (अनाकार या क्रिस्टलीय) में समृद्ध ठोस अवशेष के रूप में रहता है।

अनुप्रयोग

फिर से, गुणों और संरचना की तरह, उपयोग या अनुप्रयोग कार्बन के आवंटियों या खनिज रूपों के अनुरूप हैं। हालांकि, कुछ सामान्य बातें हैं जिनका उल्लेख कुछ प्रसिद्ध बिंदुओं के अलावा किया जा सकता है। ऐसे हैं:

-कार्बन लंबे समय तक शुद्ध धातुओं को प्राप्त करने में खनिज को कम करने वाले एजेंट के रूप में उपयोग किया जाता है; उदाहरण के लिए, लोहा, सिलिकॉन और फास्फोरस, दूसरों के बीच में।

-यह जीवन की आधारशिला है, और जैविक रसायन और जैव रसायन इस प्रतिबिंब के अध्ययन हैं।

-यह एक जीवाश्म ईंधन भी है जिसने पहली मशीनों को अपना गियर शुरू करने की अनुमति दी थी। उसी तरह, पुराने प्रकाश प्रणालियों के लिए कार्बन गैस इससे प्राप्त की गई थी। कोयला प्रकाश, ऊष्मा और ऊर्जा का पर्याय था।

-विभिन्न अनुपातों में लोहे के साथ एक योज्य के रूप में मिश्रित, स्टील्स के आविष्कार और सुधार की अनुमति दी।

-इस काले रंग की कला में, विशेष रूप से ग्रेफाइट और इसकी रेखाओं के साथ किए गए सभी लेखन हुए।

जोखिम और सावधानियां

कार्बन और उसके ठोस पदार्थ किसी भी स्वास्थ्य जोखिम का सामना नहीं करते हैं। चारकोल के बैग की देखभाल किसने की? उन्हें कुछ बाजारों के गलियारों के भीतर ड्रम में बेचा जाता है, और जब तक आस-पास कोई आग नहीं लगती है, तब तक उनके काले ब्लॉक नहीं जलेंगे।

दूसरी ओर, कोक एक जोखिम पैदा कर सकता है यदि इसकी सल्फर सामग्री अधिक हो। जब यह जलता है, तो यह सल्फर गैसों को छोड़ देगा, जो विषाक्त होने के अलावा, अम्लीय वर्षा में योगदान करती हैं। और यद्यपि कम मात्रा में CO ₂ हमें घुटन नहीं दे सकता है, लेकिन ग्रीनहाउस गैस के रूप में पर्यावरण पर इसका व्यापक प्रभाव पड़ता है।

इस दृष्टिकोण से, कार्बन एक "दीर्घकालिक" खतरा है, क्योंकि इसका दहन हमारे ग्रह की जलवायु को बदल देता है।

और अधिक भौतिक अर्थों में, ठोस या कार्बोहाईड्रेट सामग्री यदि वे चूर्णित होती हैं तो आसानी से वायु धाराओं द्वारा ले जाया जाता है; और परिणामस्वरूप, उन्हें सीधे फेफड़ों में पेश किया जाता है, जो उन्हें अपूरणीय रूप से नुकसान पहुंचा सकता है।

बाकी के लिए, "चारकोल" का उपभोग करना बहुत आम है जब कुछ भोजन पकाया जाता है।

संदर्भ

1. मॉरिसन, आरटी और बॉयड, आर, एन (1987)। और्गॆनिक रसायन। 5 वां संस्करण। संपादकीय एडिसन-वेस्ले इंटरमेरिकाना।
2. केरी एफ (2008)। और्गॆनिक रसायन। (छठा संस्करण)। मैक ग्रे हिल।
3. ग्राहम सोलोमन्स TW, क्रेग बी फ्राइले। (2011)। और्गॆनिक रसायन। Amines। (10 वां संस्करण।)। विली प्लस।
4. एंड्रयू। (2019)। कार्बन, इसके अलॉट्रोप्स और स्ट्रक्चर्स। से पुनर्प्राप्त: everyscience.com
5. Advameg, Inc. (2019)। कोयला। रसायन विज्ञान समझाया। से पुनर्प्राप्त: chemistryexplained.com
6. हेलमेनस्टाइन, ऐनी मैरी, पीएच.डी. (11 जुलाई, 2018)। 10 कार्बन तथ्य (परमाणु संख्या 6 या C)। से पुनर्प्राप्त: सोचाco.com
7. तवन्या ईश। (2019)। कार्बन क्या है? - बच्चों के लिए तथ्य और इतिहास का पाठ। अध्ययन। से पुनर्प्राप्त: study.com
8. Foll। (एस एफ)। कार्बन का इतिहास। से पुनर्प्राप्त: tf.uni-kiel.de