कार्बन परमाणु: विशेषताएँ, संरचना, संकरण - रसायन विज्ञान - 2024

कार्बन परमाणु क्योंकि यह करने के लिए धन्यवाद जीवन के अस्तित्व संभव है, सबसे महत्वपूर्ण और सभी तत्वों का द्योतक शायद है। यह अपने आप में न केवल कुछ इलेक्ट्रॉनों, या प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के साथ एक नाभिक को घेरता है, लेकिन यह भी धूल को स्टार करता है, जो निगमित होता है और जीवित प्राणियों का निर्माण करता है।

इसी तरह, कार्बन परमाणु पृथ्वी की पपड़ी में पाए जाते हैं, हालांकि धातु जैसे तत्व जैसे लोहा, कार्बोनेट, कार्बन डाइऑक्साइड, तेल, हीरे, कार्बोहाइड्रेट आदि के लिए बहुतायत में नहीं होते हैं, वे एक हिस्सा हैं। इसकी भौतिक और रासायनिक अभिव्यक्तियाँ।

स्रोत: गेब्रियल बोलिवर

लेकिन कार्बन परमाणु क्या है? एक गलत पहला स्केच ऊपर की छवि में देखा गया है, जिसकी विशेषताओं का वर्णन अगले भाग में किया गया है।

कार्बन परमाणु वायुमंडल, समुद्रों, उप-प्राणियों, पौधों और किसी भी पशु प्रजाति के माध्यम से चलते हैं। इसकी महान रासायनिक विविधता इसके बंधों की उच्च स्थिरता और जिस तरह से अंतरिक्ष में व्यवस्थित होती है, उसके कारण है। इस प्रकार, आपके पास एक तरफ चिकनी और चिकनाई ग्रेफाइट है; और दूसरी ओर, हीरा, जिसकी कठोरता कई सामग्रियों से अधिक है।

यदि कार्बन परमाणु में ऐसे गुण नहीं होते जो इसे चिह्नित करते, तो कार्बनिक रसायन पूरी तरह से मौजूद नहीं होते। कुछ दूरदर्शी इसमें भविष्य की नई सामग्रियों को उनके अलॉट्रोपिक संरचनाओं (कार्बन नैनोट्यूब, ग्रैफीन, फुलरीन, आदि) के डिजाइन और क्रियाशीलता के माध्यम से देखते हैं।

कार्बन परमाणु के लक्षण

कार्बन परमाणु अक्षर C का प्रतीक है। इसका परमाणु क्रमांक Z 6 है, इसलिए इसमें छह प्रोटॉन (नाभिक में "+" प्रतीक के साथ लाल वृत्त) हैं। इसके अलावा, इसमें छह न्यूट्रॉन ("एन" अक्षर के साथ पीले वृत्त) और अंत में छह इलेक्ट्रॉन (नीले सितारे) हैं।

इसके परमाणु कणों के द्रव्यमान का योग 12.0107 यू का औसत मूल्य देता है। हालांकि, छवि में परमाणु कार्बन 12 (¹² C) आइसोटोप से मेल खाता है, जिसमें डी होते हैं। अन्य समस्थानिक, जैसे ¹³ C और ¹⁴ C, कम प्रचुर मात्रा में, केवल न्यूट्रॉन की संख्या में भिन्न होते हैं।

इस प्रकार, यदि इन समस्थानिकों को खींचा जाता है, तो ¹³ C में एक अतिरिक्त पीला चक्र होगा, और ¹⁴ C में दो और होंगे। तार्किक रूप से इसका मतलब है कि वे भारी कार्बन परमाणु हैं।

इसके अतिरिक्त, इस संबंध में अन्य कौन सी विशेषताओं का उल्लेख किया जा सकता है? यह टेट्रावैलेंट है, अर्थात यह चार सहसंयोजक बंधन बना सकता है। यह आवर्त सारणी के समूह 14 (IVA) में स्थित है, विशेष रूप से ब्लॉक पी में।

यह एक बहुत ही बहुमुखी परमाणु भी है, जो आवर्त सारणी के लगभग सभी तत्वों के साथ संबंध बनाने में सक्षम है; विशेष रूप से खुद के साथ, रैखिक, शाखित और लामिना मैक्रोमोलेक्यूल्स और पॉलिमर का निर्माण।

संरचना

कार्बन परमाणु की संरचना क्या है? इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए, पहले आपको इसके इलेक्ट्रॉनिक कॉन्फ़िगरेशन पर जाना होगा: 1s ² 2s ² 2p ² या 2s ² 2p ² ।

इसलिए, तीन ऑर्बिटल्स हैं: 1s ², 2s ^2, और 2p ², प्रत्येक दो इलेक्ट्रॉनों के साथ। यह ऊपर की छवि में भी देखा जा सकता है: दो इलेक्ट्रॉनों (नीले सितारों) के साथ तीन रिंग्स (प्रत्येक कक्षाओं के लिए रिंगों की गलती न करें: वे ऑर्बिटल्स हैं)।

ध्यान दें, हालांकि, दो तारों में शेष चार की तुलना में गहरे नीले रंग की छाया है। क्यों? क्योंकि पहले दो आंतरिक परत 1 एस ² ओ के अनुरूप हैं, जो रासायनिक बांड के गठन में सीधे भाग नहीं लेता है; जबकि बाहरी खोल, 2s और 2p में इलेक्ट्रॉनों, करते हैं।

S और p ऑर्बिटल्स का आकार एक जैसा नहीं है, इसलिए सचित्र परमाणु वास्तविकता से सहमत नहीं है; इलेक्ट्रॉनों और नाभिक के बीच की दूरी के महान अनुपात के अलावा, जो सैकड़ों गुना अधिक होना चाहिए।

इसलिए, कार्बन परमाणु की संरचना में तीन ऑर्बिटल्स होते हैं, जहां इलेक्ट्रॉन धुंधले इलेक्ट्रॉनिक बादलों में "पिघल जाते हैं"। और नाभिक और इन इलेक्ट्रॉनों के बीच एक दूरी होती है जो परमाणु के अंदर अपार "शून्य" को प्रकट करती है।

संकरण

यह पहले उल्लेख किया गया था कि कार्बन परमाणु टेट्रावैलेंट है। इसके इलेक्ट्रॉनिक विन्यास के अनुसार, इसके 2s इलेक्ट्रॉनों को युग्मित किया जाता है और 2p को अप्रकाशित किया जाता है:

स्रोत: गेब्रियल बोलिवर

एक उपलब्ध पी ऑर्बिटल है, जो नाइट्रोजन परमाणु (2p ³) में एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन से खाली और भरा हुआ है ।

सहसंयोजक बंधन की परिभाषा के अनुसार, यह आवश्यक है कि प्रत्येक परमाणु अपने गठन के लिए एक इलेक्ट्रॉन का योगदान देता है; हालाँकि, यह देखा जा सकता है कि कार्बन परमाणु की जमीनी अवस्था में, इसमें केवल दो अप्रकाशित इलेक्ट्रॉन होते हैं (प्रत्येक 2p कक्षीय में एक)। इसका मतलब यह है कि इस स्थिति में यह एक द्विध्रुवीय परमाणु है, और इसलिए, यह केवल दो बांड बनाता है (-सी)।

तो कार्बन परमाणु के लिए चार बॉन्ड बनाना कैसे संभव है? ऐसा करने के लिए, आपको 2 एस ऑर्बिटल से उच्च-ऊर्जा 2 पी ऑर्बिटल तक एक इलेक्ट्रॉन को बढ़ावा देना होगा। यह किया गया, जिसके परिणामस्वरूप चार ऑर्बिटल्स पतित होते हैं; दूसरे शब्दों में, उनके पास एक ही ऊर्जा या स्थिरता है (ध्यान दें कि वे संरेखित हैं)।

इस प्रक्रिया को संकरण के रूप में जाना जाता है, और इसके लिए धन्यवाद, कार्बन परमाणु के पास अब चार sp ³ ऑर्बिटल्स हैं, जिनमें से प्रत्येक एक इलेक्ट्रॉन के साथ चार बांड बनाता है। यह इसकी विशेषता है कि यह टेट्रावेलेंट होने के कारण है।

एसपी

जब कार्बन परमाणु में एक सपाट ³ संकरण होता है, तो वह अपने चार हाइब्रिड ऑर्बिटल्स को टेट्राहेड्रोन के कोने तक ले जाता है, जो इसका इलेक्ट्रॉनिक ज्यामिति है।

इस प्रकार, एक sp ³ कार्बन की पहचान की जा सकती है क्योंकि यह केवल चार सरल बंध बनाता है, जैसा कि मीथेन अणु (CH ₄) में होता है। और इसके आसपास एक टेट्राहेड्रल वातावरण देखा जा सकता है।

एसपी ³ ऑर्बिटल्स का ओवरलैप इतना प्रभावी और स्थिर है कि सिंगल बॉन्ड सीसी में 345.6 kJ / mol की एक थैलीपी होती है। यह बताता है कि अनंत कार्बोनेट संरचनाएं और कार्बनिक यौगिकों की एक असीम संख्या क्यों है। इसके अलावा, कार्बन परमाणु अन्य प्रकार के बांड बना सकते हैं।

एसपी

स्रोत: गेब्रियल बोलिवर

कार्बन परमाणु अन्य संकरणों को अपनाने में भी सक्षम है, जो इसे एक डबल या ट्रिपल बॉन्ड बनाने की अनुमति देगा।

² संकरण में, जैसा कि छवि में देखा गया है, तीन पतित सपा ² ऑर्बिटल्स हैं और एक 2 पी ऑर्बिटल अपरिवर्तित या "शुद्ध" रहता है। तीन एसपी ² ऑर्बिटल्स 120º के अलावा, कार्बन तीन सहसंयोजक बांड बनाता है जो एक त्रिकोणीय विमान इलेक्ट्रॉनिक ज्यामिति खींचता है; 2p कक्षीय के साथ, जबकि अन्य तीन से लंबवत, यह एक: बंध बनाता है: –सी = C–।

एसपी संकरण के मामले में, दो एसपी ऑर्बिटल्स 180, अलग हैं, इस तरह से कि वे एक रैखिक इलेक्ट्रॉनिक ज्यामिति खींचते हैं। इस बार, उनके पास दो शुद्ध 2p ऑर्बिटल्स हैं, जो एक दूसरे से लंबवत हैं, जो कार्बन को ट्रिपल बॉन्ड या दो डबल बांड बनाने की अनुमति देते हैं:)।

ध्यान दें कि हमेशा (आम तौर पर) यदि कार्बन के चारों ओर बंध जोड़े जाते हैं, तो यह पाया जाएगा कि संख्या चार के बराबर है। लुईस संरचनाओं या आणविक संरचनाओं को खींचते समय यह जानकारी आवश्यक है। पाँच बांड (= C≡C) बनाने वाला एक कार्बन परमाणु सैद्धांतिक रूप से और प्रयोगात्मक रूप से अप्राप्य है।

वर्गीकरण

कार्बन परमाणुओं को कैसे वर्गीकृत किया जाता है? आंतरिक विशेषताओं द्वारा वर्गीकरण से अधिक, यह वास्तव में आणविक वातावरण पर निर्भर करता है। अर्थात्, एक अणु के भीतर उसके कार्बन परमाणुओं को निम्नलिखित के अनुसार वर्गीकृत किया जा सकता है।

मुख्य

एक प्राथमिक कार्बन वह होता है जो केवल एक दूसरे कार्बन से बंधा होता है। उदाहरण के लिए, ईथेन अणु, CH ₃ -CH ₃ में दो बंधित प्राथमिक कार्बन होते हैं। यह कार्बन श्रृंखला के अंत या शुरुआत का संकेत देता है।

माध्यमिक

यह एक है जो दो कार्बन से जुड़ा हुआ है। इस प्रकार, प्रोपेन अणु के लिए, CH ₃ - CH ₂ –CH ₃, मध्य कार्बन परमाणु द्वितीयक (मिथाइलीन समूह, –CH ₂ -) है।

तृतीयक

तृतीयक कार्बन्स बाकी से भिन्न होते हैं क्योंकि मुख्य श्रृंखला की शाखाएं उनसे निकलती हैं। उदाहरण के लिए, 2-मिथाइलबुटेन (जिसे आइसोपेंटेन भी कहा जाता है), सीएच ₃ - सीएच (सीएच ₃) -CH ₂ –CH ₃ में बोल्ड में हाइलाइट की गई तृतीयक कार्बन होती है।

चारों भागों का

और अंत में, चतुर्भुज कार्बन, जैसा कि उनके नाम का अर्थ है, चार अन्य कार्बन परमाणुओं से जुड़े हैं। नियोपेंटेन अणु, सी (सीएच ₃) ₄ में एक चतुर्धातुक कार्बन परमाणु है।

अनुप्रयोग

परमाण्विक भार इकाई

¹² सी के औसत परमाणु द्रव्यमान का उपयोग अन्य तत्वों के द्रव्यमान की गणना के लिए एक मानक उपाय के रूप में किया जाता है। इस प्रकार, हाइड्रोजन का वजन कार्बन के इस समस्थानिक के बारहवें हिस्से में है, जिसका उपयोग यह परिभाषित करने के लिए किया जाता है कि परमाणु द्रव्यमान इकाई यू के रूप में क्या जाना जाता है।

इस प्रकार, अन्य परमाणु द्रव्यमानों की तुलना ¹² C और ¹ H के साथ की जा सकती है । उदाहरण के लिए, मैग्नीशियम (²⁴ Mg) का वजन लगभग दो बार कार्बन परमाणु का होता है, और हाइड्रोजन परमाणु से 24 गुना अधिक होता है।

कार्बन चक्र और जीवन

पौधे प्रकाश संश्लेषण प्रक्रिया में सीओ ₂ को अवशोषित करते हैं जो वायुमंडल में ऑक्सीजन छोड़ते हैं और पौधे के फेफड़ों के रूप में कार्य करते हैं। जब वे मर जाते हैं, तो वे लकड़ी का कोयला बन जाते हैं, जो जलने के बाद सीओ _{2 को फिर से} जारी करता है । एक हिस्सा पौधों में लौटता है, लेकिन दूसरा समुद्र के बेड में समाप्त हो जाता है, जिससे कई सूक्ष्मजीवों का पोषण होता है।

जब सूक्ष्मजीव मर जाते हैं, तो ठोस अपने जैविक अपघटन अवसादों के बाद, और लाखों वर्षों के बाद, यह तेल के रूप में जाना जाता है में बदल जाता है।

जब मानवता इस तेल को कोयले को जलाने के लिए एक वैकल्पिक ऊर्जा स्रोत के रूप में उपयोग करती है, तो यह अधिक सीओ ₂ (और अन्य अवांछनीय गैसों) की रिहाई में योगदान देता है ।

दूसरी ओर, जीवन बहुत नीचे से कार्बन परमाणुओं का उपयोग करता है। यह इसके बांडों की स्थिरता के कारण है, जो इसे चेन और आणविक संरचनाओं को बनाने की अनुमति देता है जो डीएनए के रूप में महत्वपूर्ण रूप से मैक्रोमोलेक्यूल बनाते हैं।

एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी

¹³ सी, हालांकि इसके बारे में एक बहुत कम अनुपात में है ¹² सी, उनकी बहुतायत परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी कार्बन 13 द्वारा आणविक संरचनाओं स्पष्ट करने के लिए पर्याप्त है।

इस विश्लेषण तकनीक के लिए धन्यवाद यह निर्धारित करना संभव है कि कौन से परमाणु ¹³ सी को घेरे हुए हैं और वे किस कार्यात्मक समूहों से संबंधित हैं। इस प्रकार, किसी भी कार्बनिक यौगिक के कार्बन कंकाल को निर्धारित किया जा सकता है।

संदर्भ

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