कार्बन का रसायन विज्ञान: अभ्यास प्रश्न

बहुविकल्पीय प्रश्न (MCQs)

प्रश्न 1

निम्नलिखित में से कौन सा कथन कार्बन के अपरूपों के बारे में गलत है?

A) हीरे में sp³ संकरित कार्बन परमाणुओं के साथ एक 3D नेटवर्क संरचना होती है। B) ग्रेफाइट में sp² संकरित कार्बन परमाणुओं के साथ एक स्तरित संरचना होती है। C) फुलेरीन पिंजरे जैसी अणु होते हैं जिनमें कार्बन परमाणुओं के पंचकोणीय और षट्कोणीय वलय होते हैं। D) कार्बन नैनोट्यूब ग्राफीन शीटों को मोड़कर बनाई गई 2D संरचनाएं हैं।

समाधान 1

सही उत्तर: D

स्पष्टीकरण: कार्बन नैनोट्यूब एक-आयामी (1D) बेलनाकार संरचनाएं हैं जो ग्राफीन की एकल या एकाधिक शीटों को मोड़कर बनती हैं। ग्राफीन स्वयं एक 2D सामग्री है, लेकिन इससे प्राप्त नैनोट्यूब स्वाभाविक रूप से अपनी धुरी के अनुदिश 1D होते हैं। अन्य कथन (A, B, C) क्रमशः हीरे, ग्रेफाइट और फुलेरीन की संरचनाओं का सही वर्णन करते हैं।

प्रश्न 2

कार्बन मोनोऑक्साइड (CO) के लिए निम्नलिखित में से कौन सा कथन सत्य है?

A) यह एक अम्लीय ऑक्साइड है। B) यह एक प्रबल ऑक्सीकारक है। C) यह हीमोग्लोबिन के प्रति अपनी बंधुता के कारण अत्यधिक विषैला होता है। D) यह नम नीले लिटमस को लाल कर देता है।

समाधान 2

सही उत्तर: C

स्पष्टीकरण: कार्बन मोनोऑक्साइड (CO) एक अत्यधिक विषैली गैस है। यह लाल रक्त कोशिकाओं में हीमोग्लोबिन में मौजूद लौह से ऑक्सीजन की तुलना में लगभग 200-250 गुना अधिक मजबूती से बंधता है, जिससे कार्बोक्सीहीमोग्लोबिन बनता है। यह स्थिर जटिल रक्त की ऑक्सीजन-वहन क्षमता को कम कर देता है, जिससे ऊतकों में ऑक्सीजन की कमी हो जाती है और संभावित रूप से मृत्यु हो सकती है।

• CO एक उदासीन ऑक्साइड है, अम्लीय नहीं (A गलत है)।
• CO एक प्रबल अपचायक है, ऑक्सीकारक नहीं (B गलत है)।
• एक उदासीन ऑक्साइड होने के कारण, यह लिटमस पेपर का रंग नहीं बदलता है (D गलत है)।

प्रश्न 3

कार्बन जब कैल्शियम (Ca) या एल्यूमीनियम (Al) जैसे अत्यधिक धनविद्युती तत्वों के साथ अभिक्रिया करता है तो आमतौर पर किस प्रकार का कार्बाइड बनता है?

A) सहसंयोजक कार्बाइड B) अंतराकाशी कार्बाइड C) आयनिक कार्बाइड D) बहुलक कार्बाइड

समाधान 3

सही उत्तर: C

स्पष्टीकरण: अत्यधिक धनविद्युती तत्व, विशेष रूप से समूह 1 (क्षार धातु), समूह 2 (क्षारीय मृदा धातु), और समूह 13 (जैसे एल्यूमीनियम) के तत्व आयनिक कार्बाइड बनाते हैं। इन कार्बाइडों में असतत कार्बाइड आयन होते हैं जैसे C₂²⁻ (एसिटिलाइड आयन, उदा. CaC₂) या C⁴⁻ (मेथेनाइड आयन, उदा. Al₄C₃)। जल-अपघटन पर, एसिटिलाइड एसिटिलीन का उत्पादन करते हैं, और मेथेनाइड मेथेन का उत्पादन करते हैं।

• सहसंयोजक कार्बाइड (उदा. SiC, B₄C) समान विद्युत ऋणात्मकता वाले तत्वों के साथ बनते हैं।
• अंतराकाशी कार्बाइड (उदा. Fe₃C, WC) संक्रमण धातुओं के साथ बनते हैं जहाँ कार्बन परमाणु धातु जालक में अंतराकाशी स्थलों पर कब्जा करते हैं।

अभिकथन-कारण प्रश्न

प्रश्न 1

अभिकथन (A): ग्रेफाइट विद्युत का एक अच्छा चालक है, जबकि हीरा एक विद्युत कुचालक है। कारण (R): ग्रेफाइट में, प्रत्येक कार्बन परमाणु sp² संकरित होता है, और एक संयोजी इलेक्ट्रॉन विस्थानीकृत होता है, जिससे एक गतिशील इलेक्ट्रॉन मेघ बनता है। हीरे में, प्रत्येक कार्बन परमाणु sp³ संकरित होता है, और सभी संयोजी इलेक्ट्रॉन सिग्मा बंधों में शामिल होते हैं।

A) A और R दोनों सत्य हैं, और R, A की सही व्याख्या है। B) A और R दोनों सत्य हैं, लेकिन R, A की सही व्याख्या नहीं है। C) A सत्य है, लेकिन R असत्य है। D) A असत्य है, लेकिन R सत्य है। E) A और R दोनों असत्य हैं।

समाधान 1

सही उत्तर: A

स्पष्टीकरण: अभिकथन (A) सत्य है। ग्रेफाइट की स्तरित संरचना इसे विद्युत का संचालन करने की अनुमति देती है, जबकि हीरे का कठोर सहसंयोजक नेटवर्क इसे कुचालक बनाता है। कारण (R) भी सत्य है और अभिकथन की सही व्याख्या करता है। ग्रेफाइट में, प्रत्येक कार्बन परमाणु sp² संकरित होता है और उसी तल में तीन अन्य कार्बन परमाणुओं से जुड़ा होता है, जिससे परतों के लंबवत एक असंकरित p-कक्षक शेष रहता है। ये p-कक्षक अतिव्यापन करके एक विस्थानीकृत इलेक्ट्रॉन मेघ बनाते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप से गति कर पाते हैं, इस प्रकार ग्रेफाइट एक अच्छा चालक बन जाता है। हीरे में, प्रत्येक कार्बन परमाणु sp³ संकरित होता है और चतुष्फलकीय व्यवस्था में चार अन्य कार्बन परमाणुओं से जुड़ा होता है। सभी संयोजी इलेक्ट्रॉन प्रबल सिग्मा बंधों में कसकर बंधे होते हैं, और चालन के लिए कोई मुक्त इलेक्ट्रॉन उपलब्ध नहीं होते हैं, इसलिए यह एक कुचालक के रूप में कार्य करता है।

प्रश्न 2

अभिकथन (A): कार्बन मोनोऑक्साइड अत्यधिक विषैला होता है। कारण (R): कार्बन मोनोऑक्साइड हीमोग्लोबिन के साथ एक स्थिर जटिल बनाता है, जिसे कार्बोक्सीहीमोग्लोबिन कहते हैं, जो ऑक्सीहीमोग्लोबिन से लगभग 200-250 गुना अधिक स्थिर होता है।

A) A और R दोनों सत्य हैं, और R, A की सही व्याख्या है। B) A और R दोनों सत्य हैं, लेकिन R, A की सही व्याख्या नहीं है। C) A सत्य है, लेकिन R असत्य है। D) A असत्य है, लेकिन R सत्य है। E) A और R दोनों असत्य हैं।

समाधान 2

सही उत्तर: A

स्पष्टीकरण: अभिकथन (A) सत्य है। कार्बन मोनोऑक्साइड वास्तव में एक अत्यधिक विषैली गैस है। कारण (R) भी सत्य है और इसकी विषाक्तता के लिए सही स्पष्टीकरण प्रदान करता है। CO की हीमोग्लोबिन में हीम लौह के प्रति ऑक्सीजन की तुलना में बहुत अधिक प्रबल बंधुता होती है। जब CO हीमोग्लोबिन से बंधता है, तो यह कार्बोक्सीहीमोग्लोबिन बनाता है, जो ऑक्सीहीमोग्लोबिन से काफी अधिक स्थिर होता है। यह हीमोग्लोबिन को शरीर के ऊतकों तक ऑक्सीजन पहुँचाने से रोकता है, जिससे कोशिकीय हाइपोक्सिया और संभावित रूप से मृत्यु हो जाती है।

लघु उत्तरीय प्रश्न

प्रश्न 1

समूह 14 के तत्वों में कार्बन शृंखलन की अधिकतम प्रवृत्ति क्यों दर्शाता है, समझाइए।

मॉडल उत्तर 1

शृंखलन एक तत्व की अपने ही परमाणुओं के साथ बंध बनाने की क्षमता है, जिससे लंबी श्रृंखलाएं या वलय बनते हैं। कार्बन निम्नलिखित कारणों से शृंखलन की अधिकतम प्रवृत्ति दर्शाता है:

1. छोटा आकार: कार्बन परमाणु अपेक्षाकृत छोटे होते हैं, जिससे वे महत्वपूर्ण त्रिविम बाधा के बिना अन्य कार्बन परमाणुओं के साथ मजबूत, स्थिर सहसंयोजक बंध बनाने में सक्षम होते हैं।
2. उच्च C-C बंध ऊर्जा: कार्बन-कार्बन एकल बंध (C-C) बहुत मजबूत होता है (बंध ऊर्जा ≈ 348 kJ/mol), जिससे श्रृंखलाएं और वलय स्थिर बनते हैं। जैसे-जैसे हम समूह 14 (Si, Ge, Sn, Pb) में नीचे जाते हैं, परमाणु का आकार बढ़ता जाता है, और E-E (तत्व-तत्व) बंध शक्ति काफी कम हो जाती है (उदा. Si-Si बंध ऊर्जा ≈ 222 kJ/mol)। यह कमजोर बंध शक्ति भारी तत्वों के लिए शृंखलित संरचनाओं को कम स्थिर बनाती है।
3. बहुबंध बनाने की क्षमता: कार्बन अपने आप में और अन्य तत्वों के साथ स्थिर एकल (C-C), द्विबंध (C=C), और त्रिबंध (C≡C) बना सकता है। यह बहुमुखी प्रतिभा स्थिर शृंखलित संरचनाओं और समावयवियों की एक विशाल श्रृंखला की अनुमति देती है। समूह 14 के भारी तत्व बड़े आकार और अधिक विसरित p-कक्षकों के कारण स्थिर बहुबंध बनाने की बहुत कम प्रवृत्ति दिखाते हैं, जिससे खराब pπ-pπ अतिव्यापन होता है।

प्रश्न 2

कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) में संरचना और बंध को समझाइए।

मॉडल उत्तर 2

कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) एक विशिष्ट संरचना और बंध के साथ एक सरल आणविक यौगिक है:

1. संकरण: CO₂ में केंद्रीय कार्बन परमाणु sp संकरित होता है। यह दो सिग्मा (σ) बंध और दो पाई (π) बंध बनाता है।
2. बंध:
   • कार्बन परमाणु दो C=O द्विबंध बनाता है, प्रत्येक ऑक्सीजन परमाणु के साथ एक।
   • प्रत्येक C=O द्विबंध में कार्बन के एक sp संकर कक्षक और ऑक्सीजन के एक p कक्षक के अतिव्यापन से बना एक सिग्मा (σ) बंध, और कार्बन के एक असंकरित p कक्षक और ऑक्सीजन के दूसरे p कक्षक के पाश्र्वीय अतिव्यापन से बना एक पाई (π) बंध होता है।
3. ज्यामिति: sp संकरण के कारण, अणु की रेखीय ज्यामिति होती है जिसमें बंध कोण 180° होता है।
4. ध्रुवीयता: यद्यपि कार्बन और ऑक्सीजन के बीच विद्युत ऋणात्मकता के अंतर के कारण C=O बंध ध्रुवीय होते हैं, दोनों C=O द्विध्रुव आघूर्णों की रेखीय सममित व्यवस्था के परिणामस्वरूप उनका निरस्तीकरण हो जाता है। इसलिए, CO₂ अणु समग्र रूप से अध्रुवीय होता है।
5. भौतिक अवस्था: कमरे के तापमान और दबाव पर, CO₂ एक गैस है। अपनी ठोस अवस्था (शुष्क बर्फ) में, यह एक आणविक ठोस है जो कमजोर अंतराआणविक बलों (लंदन परिक्षेपण बलों) द्वारा एक साथ बंधा होता है।

उच्च-स्तरीय चिंतन कौशल (HOTS) प्रश्न

प्रश्न 1

कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) कमरे के तापमान पर गैस क्यों है, जबकि सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO₂) एक कठोर, उच्च गलनांक वाला ठोस है? उनके बंध और संरचना में मूलभूत अंतरों को समझाइए।

मॉडल उत्तर 1

कमरे के तापमान पर CO₂ और SiO₂ की भौतिक अवस्थाओं में स्पष्ट अंतर (CO₂ एक गैस के रूप में, SiO₂ एक कठोर ठोस के रूप में) उनके बंध और आणविक संरचनाओं में मूलभूत अंतरों से उत्पन्न होता है।

1. कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂):

   • संरचना: CO₂ असतत, सरल त्रिपारमाण्विक अणुओं (O=C=O) के रूप में मौजूद होता है। केंद्रीय कार्बन परमाणु sp संकरण के साथ दो C=O द्विबंध बनाता है, जिसके परिणामस्वरूप एक रेखीय ज्यामिति होती है।
   • बंध: प्रत्येक CO₂ अणु के भीतर, कार्बन और ऑक्सीजन के बीच मजबूत सहसंयोजक बंध मौजूद होते हैं। हालांकि, व्यक्तिगत CO₂ अणु ठोस या तरल अवस्था में केवल कमजोर अंतराआणविक बलों, विशेष रूप से लंदन परिक्षेपण बलों (वैन डेर वाल्स बल) द्वारा एक साथ बंधे होते हैं।
   • परिणाम: इन कमजोर अंतराआणविक बलों को दूर करने के लिए बहुत कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इसलिए, CO₂ का गलनांक बहुत कम होता है (-56.6 °C 5.1 atm पर, -78.5 °C 1 atm पर ऊर्ध्वपातित होता है) और यह कमरे के तापमान पर एक गैस है।

2. सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO₂):

   • संरचना: SiO₂ CO₂ की तरह असतत अणुओं के रूप में मौजूद नहीं होता है। इसके बजाय, यह हीरे के समान एक विशाल सहसंयोजक नेटवर्क संरचना (बृहद-आणविक संरचना) बनाता है। इस संरचना में, प्रत्येक सिलिकॉन परमाणु चार ऑक्सीजन परमाणुओं से चतुष्फलकीय रूप से बंधा होता है, और प्रत्येक ऑक्सीजन परमाणु दो सिलिकॉन परमाणुओं को जोड़ता है। इसका परिणाम मजबूत सहसंयोजक Si-O-Si लिंकेज के एक सतत 3D नेटवर्क में होता है।
   • बंध: SiO₂ का पूरा क्रिस्टल मजबूत सहसंयोजक एकल बंधों के एक विशाल नेटवर्क द्वारा एक साथ बंधा होता है। सिलिकॉन, कार्बन से बड़ा होने के कारण, Si=O द्विबंध के बजाय चार मजबूत Si-O एकल बंध बनाना पसंद करता है। pπ-pπ द्विबंध (Si=O) का निर्माण सिलिकॉन के लिए अनुकूल नहीं है क्योंकि इसके 3p कक्षकों का आकार बड़ा होता है, जो ऑक्सीजन के 2p कक्षकों के साथ प्रभावी पाश्र्वीय अतिव्यापन के लिए बहुत विसरित होते हैं।
   • परिणाम: SiO₂ को पिघलाने या उबालने के लिए, पूरे नेटवर्क में इन व्यापक और मजबूत सहसंयोजक बंधों को तोड़ने के लिए बड़ी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इसलिए, SiO₂ कमरे के तापमान पर एक कठोर, उच्च गलनांक वाला ठोस है (गलनांक ≈ 1710 °C)।

संक्षेप में, मुख्य अंतर कार्बन की स्थिर pπ-pπ बहुबंध (C=O) बनाने की क्षमता में निहित है जो असतत आणविक इकाइयों की ओर ले जाती है, जबकि सिलिकॉन की मजबूत σ बंध बनाने की प्राथमिकता और ऑक्सीजन के साथ स्थिर pπ-pπ बहुबंध बनाने में असमर्थता एक विस्तारित विशाल सहसंयोजक नेटवर्क संरचना की ओर ले जाती है।