કાર્બન (C) - રાસાયણિક ગુણધર્મો અને પ્રતિક્રિયાઓ

રાસાયણિક ગુણધર્મો વિહંગાવલોકન

કાર્બન (C) એ આવર્ત કોષ્ટકના સમૂહ 14 માં આવેલું એક અધાતુ તત્વ છે. તેના અનન્ય ગુણધર્મો, જેમ કે કેટેનેશન (catenation) અને ટેટ્રાવેલેન્સી (tetravalency), કાર્બનિક રસાયણશાસ્ત્ર માટે મૂળભૂત છે.

પ્રતિક્રિયાત્મકતા

• પ્રતિક્રિયાત્મકતા શ્રેણીમાં સ્થાન: કાર્બનને સામાન્ય રીતે પ્રમાણભૂત ધાતુ પ્રતિક્રિયાત્મકતા શ્રેણીમાં સમાવવામાં આવતું નથી. એક અધાતુ તરીકે, તેની પ્રતિક્રિયાત્મકતા સહસંયોજક બંધ બનાવવાની તેની વૃત્તિ દ્વારા વર્ણવવામાં આવે છે.
• વિદ્યુતઋણતા: 2.55 ની પૌલિંગ વિદ્યુતઋણતા સાથે, કાર્બનની વિદ્યુતઋણતા મધ્યમ હોય છે, જે તેને વધુ અને ઓછી બંને વિદ્યુતઋણ તત્વો સાથે સ્થિર સહસંયોજક બંધ બનાવવાની મંજૂરી આપે છે.
• સામાન્ય પ્રતિક્રિયાત્મકતા: કાર્બન સામાન્ય રીતે ઓરડાના તાપમાને નિષ્ક્રિય હોય છે પરંતુ ઊંચા તાપમાને અત્યંત પ્રતિક્રિયાશીલ બને છે. તે મુખ્યત્વે તેના સંયોજનોમાં +4 અને +2 ઓક્સિડેશન અવસ્થાઓ દર્શાવે છે. તેના નાના કદને કારણે, તે અન્ય નાના પરમાણુઓ, જેમાં પોતે પણ શામેલ છે, તેની સાથે સ્થિર બહુબંધ (દ્વિબંધ અને ત્રિબંધ) બનાવે છે.

હવા અને ઓક્સિજનની ક્રિયા

ગરમ કરવાથી કાર્બન ઓક્સિજન સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને દહન કરે છે. નીપજો ઓક્સિજનની ઉપલબ્ધતા પર આધાર રાખે છે.

ઓક્સિડેશન/દહન પ્રતિક્રિયાઓ

• સંપૂર્ણ દહન (પર્યાપ્ત ઓક્સિજન): જ્યારે કાર્બન ઓક્સિજનના પૂરતા પુરવઠામાં બળે છે, ત્યારે તે કાર્બન ડાયોક્સાઇડ, એક બિન-ઝેરી વાયુ બનાવે છે. $\text\{C\} (\text\{s\}) + \text\{O\}_2 (\text\{g\}) \xrightarrow\{\text\{heat\}\} \text\{CO\}_2 (\text\{g\})$
• અપૂર્ણ દહન (અપર્યાપ્ત ઓક્સિજન): જ્યારે કાર્બન ઓક્સિજનના મર્યાદિત પુરવઠામાં બળે છે, ત્યારે તે કાર્બન મોનોક્સાઇડ, એક અત્યંત ઝેરી વાયુ બનાવે છે. $2\text\{C\} (\text\{s\}) + \text\{O\}_2 (\text\{g\}) \xrightarrow\{\text\{heat\}\} 2\text\{CO\} (\text\{g\})$

પાણી અને વરાળની ક્રિયા

તત્વીય કાર્બન પ્રવાહી પાણી સાથે પ્રતિક્રિયા કરતું નથી, ગરમ હોય ત્યારે પણ નહીં. જોકે, તે અત્યંત ઊંચા તાપમાને વરાળ સાથે પ્રતિક્રિયા કરે છે.

વરાળ સાથે પ્રતિક્રિયા

• ઊંચા તાપમાને (1000°C - 1200°C): જ્યારે લાલ-ગરમ કાર્બન (કોક) પર વરાળ પસાર કરવામાં આવે છે, ત્યારે કાર્બન મોનોક્સાઇડ અને હાઇડ્રોજન વાયુનું મિશ્રણ ઉત્પન્ન થાય છે. આ મિશ્રણને વોટર ગેસ અથવા સિન્થેસિસ ગેસ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, જે એક મહત્વપૂર્ણ ઔદ્યોગિક ઇંધણ અને કાચો માલ છે. $\text\{C\} (\text\{s\}) + \text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{g\}) \xrightarrow\{1000-1200^\circ\text\{C\}\} \text\{CO\} (\text\{g\}) + \text\{H\}_2 (\text\{g\})$

એસિડ અને બેઝની ક્રિયા

તત્વીય કાર્બન સામાન્ય રીતે બિન-ઓક્સિડાઇઝિંગ એસિડ અને બેઝ સાથે નિષ્ક્રિય હોય છે. તે ફક્ત ગરમ કરવાથી પ્રબળ ઓક્સિડાઇઝિંગ સાંદ્ર એસિડ સાથે પ્રતિક્રિયા કરે છે.

એસિડની ક્રિયા

• બિન-ઓક્સિડાઇઝિંગ એસિડ (દા.ત., મંદ HCl, મંદ H$_2$SO$_4$): તત્વીય કાર્બન (દા.ત., ગ્રેફાઇટ, ચારકોલ) મંદ એસિડ સાથે પ્રતિક્રિયા કરતું નથી.
• સાંદ્ર ઓક્સિડાઇઝિંગ એસિડ:
  • સાંદ્ર નાઈટ્રિક એસિડ ($\text\{HNO\}_3$): જ્યારે સાંદ્ર નાઈટ્રિક એસિડ સાથે ગરમ કરવામાં આવે છે, ત્યારે કાર્બનનું કાર્બન ડાયોક્સાઇડમાં ઓક્સિડેશન થાય છે, જ્યારે નાઈટ્રિક એસિડનું નાઈટ્રોજન ડાયોક્સાઇડમાં રિડક્શન થાય છે. $\text\{C\} (\text\{s\}) + 4\text\{HNO\}_3 (\text\{conc.\}) \xrightarrow\{\text\{heat\}\} \text\{CO\}_2 (\text\{g\}) + 4\text\{NO\}_2 (\text\{g\}) + 2\text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{l\})$
  • સાંદ્ર સલ્ફ્યુરિક એસિડ ($\text\{H\}_2\text\{SO\}_4$): જ્યારે સાંદ્ર સલ્ફ્યુરિક એસિડ સાથે ગરમ કરવામાં આવે છે, ત્યારે કાર્બનનું કાર્બન ડાયોક્સાઇડમાં ઓક્સિડેશન થાય છે, અને સલ્ફ્યુરિક એસિડનું સલ્ફર ડાયોક્સાઇડમાં રિડક્શન થાય છે. $\text\{C\} (\text\{s\}) + 2\text\{H\}_2\text\{SO\}_4 (\text\{conc.\}) \xrightarrow\{\text\{heat\}\} \text\{CO\}_2 (\text\{g\}) + 2\text\{SO\}_2 (\text\{g\}) + 2\text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{l\})$

બેઝ (આલ્કલી) ની ક્રિયા

• તત્વીય કાર્બન બેઝ (આલ્કલી) સાથે પ્રતિક્રિયા કરતું નથી.

મુખ્ય પ્રયોગશાળા પરીક્ષણ/ઓળખ પ્રતિક્રિયાઓ

કાર્બનિક સંયોજનોમાં કાર્બનની હાજરી સામાન્ય રીતે દહન દ્વારા ઓળખવામાં આવે છે. સૌથી સામાન્ય પરીક્ષણ વાયુયુક્ત નીપજ, કાર્બન ડાયોક્સાઇડ માટે છે. કાર્બોનેટ આયનોને ઓળખવા માટે, એક અલગ પદ્ધતિનો ઉપયોગ થાય છે.

કાર્બનની ઓળખ ($\text\{CO\}_2$ ઉત્પાદન દ્વારા)

• દહન અને ચૂનાના પાણીનો કસોટી: જ્યારે કાર્બન ધરાવતા પદાર્થને હવા અથવા ઓક્સિજનમાં ગરમ કરવામાં આવે છે, ત્યારે તે કાર્બન ડાયોક્સાઇડ બનાવે છે. ઉત્સર્જિત $\text\{CO\}_2$ વાયુને પછી ચૂનાના પાણી (કેલ્શિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ દ્રાવણ) માંથી પસાર કરવામાં આવે છે, જે અદ્રાવ્ય કેલ્શિયમ કાર્બોનેટના નિર્માણને કારણે દૂધિયું બની જાય છે. $\text\{C\}_\{\text\{(in compound)\}\} + \text\{O\}_2 (\text\{g\}) \xrightarrow\{\text\{heat\}\} \text\{CO\}_2 (\text\{g\})$ $\text\{CO\}_2 (\text\{g\}) + \text\{Ca(OH)\}_2 (\text\{aq\}) \rightarrow \text\{CaCO\}_3 (\text\{s\}) \downarrow + \text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{l\})$
  • નોંધ: જો દૂધિયા દ્રાવણમાંથી વધુ પડતો $\text\{CO\}_2$ પસાર કરવામાં આવે, તો દ્રાવ્ય કેલ્શિયમ બાયકાર્બોનેટના નિર્માણને કારણે દૂધિયાપણું અદૃશ્ય થઈ જાય છે. $\text\{CaCO\}_3 (\text\{s\}) + \text\{CO\}_2 (\text\{g\}) + \text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{l\}) \rightarrow \text\{Ca(HCO\}_3)_2 (\text\{aq\})$

કાર્બોનેટ આયનોની ઓળખ ($\text\{CO\}_3^\{2-\}$)

• મંદ એસિડ કસોટી: કાર્બોનેટ ધરાવતા સંયોજનો (દા.ત., ક્ષાર) મંદ એસિડ (જેમ કે HCl અથવા $\text\{H\}_2\text\{SO\}_4$) સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને રંગહીન, ગંધહીન કાર્બન ડાયોક્સાઇડ વાયુનો તીવ્ર ઉભરો ઉત્પન્ન કરે છે. $\text\{Na\}_2\text\{CO\}_3 (\text\{s\}) + 2\text\{HCl\} (\text\{aq\}) \rightarrow 2\text\{NaCl\} (\text\{aq\}) + \text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{l\}) + \text\{CO\}_2 (\text\{g\})$ ઉત્સર્જિત $\text\{CO\}_2$ વાયુની પુષ્ટિ ઉપર વર્ણવ્યા મુજબ ચૂનાના પાણીના પરીક્ષણનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવે છે.