કાર્બનનું રસાયણશાસ્ત્ર: પ્રેક્ટિસ પ્રશ્નો

બહુવિકલ્પીય પ્રશ્નો (MCQs)

પ્રશ્ન 1

કાર્બનના અપરરૂપો વિશે નીચેનામાંથી કયું વિધાન ખોટું છે?

A) હીરામાં sp³ સંકરણ પામેલા કાર્બન પરમાણુઓ સાથે 3D જાળીદાર બંધારણ હોય છે. B) ગ્રેફાઇટમાં sp² સંકરણ પામેલા કાર્બન પરમાણુઓ સાથે સ્તરવાળું બંધારણ હોય છે. C) ફુલરીન એ કાર્બન પરમાણુઓના પંચકોણીય અને ષટ્કોણીય વલયો સાથેના પાંજરા જેવા અણુઓ છે. D) કાર્બન નેનોટ્યુબ એ ગ્રેફીન શીટ્સને ગોળ વાળવાથી બનેલી 2D બંધારણો છે.

ઉકેલ 1

સાચો જવાબ: D

સમજૂતી: કાર્બન નેનોટ્યુબ એ એકલ અથવા બહુવિધ ગ્રેફીન શીટ્સને ગોળ વાળવાથી બનેલી એક-પરિમાણીય (1D) નળાકાર બંધારણો છે. ગ્રેફીન પોતે 2D પદાર્થ છે, પરંતુ તેમાંથી બનેલી નેનોટ્યુબ તેની ધરી સાથે સહજપણે 1D હોય છે. અન્ય વિધાનો (A, B, C) હીરા, ગ્રેફાઇટ અને ફુલરીનના બંધારણોનું અનુક્રમે સચોટ વર્ણન કરે છે.

પ્રશ્ન 2

કાર્બન મોનોક્સાઇડ (CO) માટે નીચેનામાંથી કયું સાચું છે?

A) તે એસિડિક ઓક્સાઇડ છે. B) તે પ્રબળ ઓક્સિડાઇઝિંગ એજન્ટ છે. C) હિમોગ્લોબિન પ્રત્યેના તેના આકર્ષણને કારણે તે અત્યંત ઝેરી છે. D) તે ભીના વાદળી લિટમસને લાલ બનાવે છે.

ઉકેલ 2

સાચો જવાબ: C

સમજૂતી: કાર્બન મોનોક્સાઇડ (CO) અત્યંત ઝેરી વાયુ છે. તે લાલ રક્તકણોમાં હિમોગ્લોબિનમાં રહેલા આયર્ન સાથે ઓક્સિજન કરતાં આશરે 200-250 ગણું વધુ મજબૂત રીતે બંધાઈને કાર્બોક્સીહિમોગ્લોબિન બનાવે છે. આ સ્થિર સંકુલ રક્તની ઓક્સિજન વહન કરવાની ક્ષમતા ઘટાડે છે, જેના કારણે પેશીઓમાં ઓક્સિજનની ઉણપ થાય છે અને સંભવિતપણે મૃત્યુ પણ થઈ શકે છે.

• CO તટસ્થ ઓક્સાઇડ છે, એસિડિક નથી (A ખોટું છે).
• CO પ્રબળ રિડ્યુસિંગ એજન્ટ છે, ઓક્સિડાઇઝિંગ એજન્ટ નથી (B ખોટું છે).
• તટસ્થ ઓક્સાઇડ હોવાને કારણે, તે લિટમસ પેપરનો રંગ બદલતો નથી (D ખોટું છે).

પ્રશ્ન 3

જ્યારે કાર્બન કેલ્શિયમ (Ca) અથવા એલ્યુમિનિયમ (Al) જેવા અત્યંત વિદ્યુત-ધન તત્વો સાથે પ્રતિક્રિયા કરે છે ત્યારે કયા પ્રકારના કાર્બાઇડ સામાન્ય રીતે બને છે?

A) સહસંયોજક કાર્બાઇડ્સ B) આંતરાલીય કાર્બાઇડ્સ C) આયનીય કાર્બાઇડ્સ D) પોલિમરીક કાર્બાઇડ્સ

ઉકેલ 3

સાચો જવાબ: C

સમજૂતી: અત્યંત વિદ્યુત-ધન તત્વો, ખાસ કરીને સમૂહ 1 (આલ્કલી ધાતુઓ), સમૂહ 2 (આલ્કલાઇન અર્થ ધાતુઓ), અને સમૂહ 13 (જેમ કે એલ્યુમિનિયમ) ના તત્વો, આયનીય કાર્બાઇડ્સ બનાવે છે. આ કાર્બાઇડ્સમાં અલગ કાર્બાઇડ ઋણાયનો જેવા કે C₂²⁻ (એસિટીલાઇડ આયન, દા.ત., CaC₂) અથવા C⁴⁻ (મિથેનાઇડ આયન, દા.ત., Al₄C₃) હોય છે. જળવિભાજન પર, એસિટીલાઇડ્સ એસિટિલિન ઉત્પન્ન કરે છે, અને મિથેનાઇડ્સ મિથેન ઉત્પન્ન કરે છે.

• સહસંયોજક કાર્બાઇડ્સ (દા.ત., SiC, B₄C) સમાન વિદ્યુતઋણતા ધરાવતા તત્વો સાથે બને છે.
• આંતરાલીય કાર્બાઇડ્સ (દા.ત., Fe₃C, WC) સંક્રાંતિ ધાતુઓ સાથે બને છે જ્યાં કાર્બન પરમાણુઓ ધાતુની જાળીમાં આંતરાલીય સ્થાનો રોકે છે.

વિધાન-કારણ પ્રશ્નો

પ્રશ્ન 1

વિધાન (A): ગ્રેફાઇટ વીજળીનો સુવાહક છે, જ્યારે હીરો વિદ્યુત અવાહક છે. કારણ (R): ગ્રેફાઇટમાં, દરેક કાર્બન પરમાણુ sp² સંકરણ પામેલો હોય છે, અને એક સંયોજકતા ઇલેક્ટ્રોન સ્થાનભ્રષ્ટ હોય છે, જે ગતિશીલ ઇલેક્ટ્રોન વાદળ બનાવે છે. હીરામાં, દરેક કાર્બન પરમાણુ sp³ સંકરણ પામેલો હોય છે, અને બધા સંયોજકતા ઇલેક્ટ્રોન સિગ્મા બંધમાં સામેલ હોય છે.

A) A અને R બંને સાચા છે, અને R એ A ની સાચી સમજૂતી છે. B) A અને R બંને સાચા છે, પરંતુ R એ A ની સાચી સમજૂતી નથી. C) A સાચું છે, પરંતુ R ખોટું છે. D) A ખોટું છે, પરંતુ R સાચું છે. E) A અને R બંને ખોટા છે.

ઉકેલ 1

સાચો જવાબ: A

સમજૂતી: વિધાન (A) સાચું છે. ગ્રેફાઇટનું સ્તરવાળું બંધારણ તેને વીજળીનું વહન કરવા દે છે, જ્યારે હીરાની સખત સહસંયોજક જાળી તેને અવાહક બનાવે છે. કારણ (R) પણ સાચું છે અને વિધાનને યોગ્ય રીતે સમજાવે છે. ગ્રેફાઇટમાં, દરેક કાર્બન પરમાણુ sp² સંકરણ પામેલો હોય છે અને તે જ સમતલમાં અન્ય ત્રણ કાર્બન પરમાણુઓ સાથે જોડાયેલો હોય છે, જેનાથી સ્તરોને લંબ એક અસંકૃત p-કક્ષક બાકી રહે છે. આ p-કક્ષકો ઓવરલેપ થઈને સ્થાનભ્રષ્ટ ઇલેક્ટ્રોન વાદળ બનાવે છે, જેનાથી ઇલેક્ટ્રોન મુક્તપણે ગતિ કરી શકે છે, આમ ગ્રેફાઇટને સારો વાહક બનાવે છે. હીરામાં, દરેક કાર્બન પરમાણુ sp³ સંકરણ પામેલો હોય છે અને ચતુષ્ફલકીય ગોઠવણીમાં અન્ય ચાર કાર્બન પરમાણુઓ સાથે જોડાયેલો હોય છે. બધા સંયોજકતા ઇલેક્ટ્રોન મજબૂત સિગ્મા બંધમાં ચુસ્તપણે પકડી રાખવામાં આવે છે, જેમાં વહન માટે કોઈ મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન ઉપલબ્ધ નથી, તેથી તે અવાહક તરીકે કાર્ય કરે છે.

પ્રશ્ન 2

વિધાન (A): કાર્બન મોનોક્સાઇડ અત્યંત ઝેરી છે. કારણ (R): કાર્બન મોનોક્સાઇડ હિમોગ્લોબિન સાથે સ્થિર સંકુલ બનાવે છે, જેને કાર્બોક્સીહિમોગ્લોબિન કહેવાય છે, જે ઓક્સીહિમોગ્લોબિન કરતાં આશરે 200-250 ગણું વધુ સ્થિર છે.

A) A અને R બંને સાચા છે, અને R એ A ની સાચી સમજૂતી છે. B) A અને R બંને સાચા છે, પરંતુ R એ A ની સાચી સમજૂતી નથી. C) A સાચું છે, પરંતુ R ખોટું છે. D) A ખોટું છે, પરંતુ R સાચું છે. E) A અને R બંને ખોટા છે.

ઉકેલ 2

સાચો જવાબ: A

સમજૂતી: વિધાન (A) સાચું છે. કાર્બન મોનોક્સાઇડ ખરેખર અત્યંત ઝેરી વાયુ છે. કારણ (R) પણ સાચું છે અને તેની ઝેરીતા માટે યોગ્ય સમજૂતી પૂરી પાડે છે. CO હિમોગ્લોબિનમાં રહેલા હિમ આયર્ન પ્રત્યે ઓક્સિજન કરતાં ઘણું વધુ પ્રબળ આકર્ષણ ધરાવે છે. જ્યારે CO હિમોગ્લોબિન સાથે બંધાય છે, ત્યારે તે કાર્બોક્સીહિમોગ્લોબિન બનાવે છે, જે ઓક્સીહિમોગ્લોબિન કરતાં નોંધપાત્ર રીતે વધુ સ્થિર છે. આ હિમોગ્લોબિનને શરીરના પેશીઓમાં ઓક્સિજનનું વહન કરતા અટકાવે છે, જેનાથી કોષીય હાયપોક્સિયા અને સંભવિતપણે મૃત્યુ થાય છે.

ટૂંકા જવાબના પ્રશ્નો

પ્રશ્ન 1

સમજાવો કે શા માટે કાર્બન સમૂહ 14 ના તત્વોમાં કેટેનેશનની મહત્તમ વૃત્તિ દર્શાવે છે.

આદર્શ જવાબ 1

કેટેનેશન એ કોઈ તત્વની પોતાના જ પરમાણુઓ સાથે બંધ બનાવવાની, લાંબી શૃંખલાઓ અથવા વલયો બનાવવાની ક્ષમતા છે. કાર્બન નીચેના કારણોસર કેટેનેશનની મહત્તમ વૃત્તિ દર્શાવે છે:

1. નાનું કદ: કાર્બન પરમાણુઓ પ્રમાણમાં નાના હોય છે, જે તેમને અન્ય કાર્બન પરમાણુઓ સાથે નોંધપાત્ર અવકાશીય પ્રતિકર્ષણ વિના મજબૂત, સ્થિર સહસંયોજક બંધ બનાવવાની મંજૂરી આપે છે.
2. ઉચ્ચ C-C બંધ ઉર્જા: કાર્બન-કાર્બન એકબંધ (C-C) ખૂબ જ મજબૂત હોય છે (બંધ ઉર્જા ≈ 348 kJ/mol), જે શૃંખલાઓ અને વલયોને સ્થિર બનાવે છે. જેમ જેમ આપણે સમૂહ 14 માં નીચે જઈએ છીએ (Si, Ge, Sn, Pb), પરમાણુનું કદ વધે છે, અને E-E (તત્વ-તત્વ) બંધ પ્રબળતા નોંધપાત્ર રીતે ઘટે છે (દા.ત., Si-Si બંધ ઉર્જા ≈ 222 kJ/mol). આ નબળી બંધ પ્રબળતા ભારે તત્વો માટે કેટેનેટેડ બંધારણોને ઓછા સ્થિર બનાવે છે.
3. બહુબંધો બનાવવાની ક્ષમતા: કાર્બન પોતાના અને અન્ય તત્વો સાથે સ્થિર એકબંધ (C-C), દ્વિબંધ (C=C), અને ત્રિબંધ (C≡C) બનાવી શકે છે. આ વિવિધતા સ્થિર કેટેનેટેડ બંધારણો અને સમઘટકોની વિશાળ શ્રેણી માટે પરવાનગી આપે છે. સમૂહ 14 માં ભારે તત્વો સ્થિર બહુબંધો બનાવવાની ઘણી ઓછી વૃત્તિ દર્શાવે છે કારણ કે તેમના 3p કક્ષકોના મોટા કદ અને વધુ પ્રસરિત સ્વભાવને કારણે, જે નબળા pπ-pπ ઓવરલેપ તરફ દોરી જાય છે.

પ્રશ્ન 2

કાર્બન ડાયોક્સાઇડ (CO₂) માં બંધારણ અને બંધનનું વર્ણન કરો.

આદર્શ જવાબ 2

કાર્બન ડાયોક્સાઇડ (CO₂) એક વિશિષ્ટ બંધારણ અને બંધન સાથેનું એક સરળ આણ્વીય સંયોજન છે:

1. સંકરણ: CO₂ માં કેન્દ્રીય કાર્બન પરમાણુ sp સંકરણ પામેલો હોય છે. તે બે સિગ્મા (σ) બંધ અને બે પાઇ (π) બંધ બનાવે છે.
2. બંધન:
   • કાર્બન પરમાણુ બે C=O દ્વિબંધ બનાવે છે, એક દરેક ઓક્સિજન પરમાણુ સાથે.
   • દરેક C=O દ્વિબંધમાં કાર્બનના sp સંકર કક્ષક અને ઓક્સિજનના p કક્ષકના ઓવરલેપથી બનેલો એક સિગ્મા (σ) બંધ, અને કાર્બનના અસંકૃત p કક્ષક અને ઓક્સિજનના બીજા p કક્ષકના પાર્શ્વીય ઓવરલેપથી બનેલો એક પાઇ (π) બંધ હોય છે.
3. ભૂમિતિ: sp સંકરણને કારણે, અણુ રેખીય ભૂમિતિ ધરાવે છે અને તેનો બંધકોણ 180° હોય છે.
4. ધ્રુવીયતા: જોકે કાર્બન અને ઓક્સિજન વચ્ચેના વિદ્યુતઋણતા તફાવતને કારણે C=O બંધ ધ્રુવીય હોય છે, પરંતુ બે C=O દ્વિધ્રુવ મોમેન્ટ્સની રેખીય સંમિત ગોઠવણી તેમના રદબાતલમાં પરિણમે છે. તેથી, સમગ્ર CO₂ અણુ અધ્રુવીય છે.
5. ભૌતિક અવસ્થા: ઓરડાના તાપમાને અને દબાણે, CO₂ વાયુ છે. તેની ઘન અવસ્થામાં (શુષ્ક બરફ), તે નબળા આંતરઆણ્વીય બળો (લંડન વિક્ષેપ બળો) દ્વારા એકસાથે જોડાયેલો આણ્વીય ઘન હોય છે.

ઉચ્ચ-સ્તરીય વિચાર કૌશલ્ય (HOTS) પ્રશ્ન

પ્રશ્ન 1

શા માટે કાર્બન ડાયોક્સાઇડ (CO₂) ઓરડાના તાપમાને વાયુ છે, જ્યારે સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ (SiO₂) સખત, ઉચ્ચ ગલનબિંદુ ધરાવતો ઘન પદાર્થ છે? તેમના બંધન અને બંધારણમાં રહેલા મૂળભૂત તફાવતો સમજાવો.

આદર્શ જવાબ 1

ઓરડાના તાપમાને CO₂ અને SiO₂ ની ભૌતિક અવસ્થાઓમાં સ્પષ્ટ તફાવત (CO₂ વાયુ તરીકે, SiO₂ સખત ઘન તરીકે) તેમના બંધન અને આણ્વીય બંધારણમાં રહેલા મૂળભૂત તફાવતોથી ઉદ્ભવે છે.

1. કાર્બન ડાયોક્સાઇડ (CO₂):

   • બંધારણ: CO₂ અલગ, સરળ ત્રિપરમાણ્વીય અણુઓ (O=C=O) તરીકે અસ્તિત્વ ધરાવે છે. કેન્દ્રીય કાર્બન પરમાણુ sp સંકરણ સાથે બે C=O દ્વિબંધ બનાવે છે, જેના પરિણામે રેખીય ભૂમિતિ મળે છે.
   • બંધન: દરેક CO₂ અણુની અંદર, કાર્બન અને ઓક્સિજન વચ્ચે મજબૂત સહસંયોજક બંધ હોય છે. જોકે, વ્યક્તિગત CO₂ અણુઓ ઘન અથવા પ્રવાહી અવસ્થામાં ફક્ત નબળા આંતરઆણ્વીય બળો, ખાસ કરીને લંડન વિક્ષેપ બળો (વાન ડેર વાલ્સ બળો) દ્વારા એકસાથે જોડાયેલા હોય છે.
   • પરિણામ: આ નબળા આંતરઆણ્વીય બળોને દૂર કરવા માટે ખૂબ ઓછી ઉર્જાની જરૂર પડે છે. તેથી, CO₂ નું ગલનબિંદુ ખૂબ નીચું હોય છે (-56.6 °C 5.1 atm પર, 1 atm પર -78.5 °C પર ઉર્ધ્વપાતન પામે છે) અને તે ઓરડાના તાપમાને વાયુ છે.

2. સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ (SiO₂):

   • બંધારણ: SiO₂ CO₂ ની જેમ અલગ અણુઓ તરીકે અસ્તિત્વ ધરાવતું નથી. તેના બદલે, તે વિશાળ સહસંયોજક જાળીદાર બંધારણ (મહાન અણુ બંધારણ), હીરા જેવું જ, બનાવે છે. આ બંધારણમાં, દરેક સિલિકોન પરમાણુ ચાર ઓક્સિજન પરમાણુઓ સાથે ચતુષ્ફલકીય રીતે જોડાયેલો હોય છે, અને દરેક ઓક્સિજન પરમાણુ બે સિલિકોન પરમાણુઓને જોડે છે. આના પરિણામે મજબૂત સહસંયોજક Si-O-Si જોડાણોનું સતત 3D નેટવર્ક બને છે.
   • બંધન: SiO₂ નો આખો સ્ફટિક મજબૂત સહસંયોજક એકબંધોના વિશાળ નેટવર્ક દ્વારા એકસાથે જોડાયેલો હોય છે. સિલિકોન, કાર્બન કરતાં મોટું હોવાથી, Si=O દ્વિબંધોને બદલે ચાર મજબૂત Si-O એકબંધ બનાવવાનું પસંદ કરે છે. pπ-pπ દ્વિબંધો (Si=O) ની રચના સિલિકોન માટે અનુકૂળ નથી કારણ કે તેના 3p કક્ષકોનું કદ મોટું હોય છે, જે ઓક્સિજનના 2p કક્ષકો સાથે અસરકારક પાર્શ્વીય ઓવરલેપ માટે ખૂબ જ પ્રસરિત હોય છે.
   • પરિણામ: SiO₂ ને પીગળવા અથવા ઉકાળવા માટે, આખા નેટવર્કમાં રહેલા આ વ્યાપક અને મજબૂત સહસંયોજક બંધોને તોડવા માટે મોટી માત્રામાં ઉર્જાની જરૂર પડે છે. તેથી, SiO₂ ઓરડાના તાપમાને સખત, ઉચ્ચ ગલનબિંદુ ધરાવતો ઘન પદાર્થ છે (ગલનબિંદુ ≈ 1710 °C).

સારાંશમાં, મુખ્ય તફાવત કાર્બનની સ્થિર pπ-pπ બહુબંધો (C=O) બનાવવાની ક્ષમતામાં રહેલો છે જે અલગ આણ્વીય એકમો તરફ દોરી જાય છે, જ્યારે સિલિકોનની મજબૂત σ બંધ બનાવવાની પસંદગી અને ઓક્સિજન સાથે સ્થિર pπ-pπ બહુબંધો બનાવવામાં તેની અસમર્થતા વિસ્તૃત વિશાળ સહસંયોજક નેટવર્ક બંધારણ તરફ દોરી જાય છે.