कार्बन (C) - रासायनिक गुणधर्म और अभिक्रियाएँ

रासायनिक गुणधर्मों का अवलोकन

कार्बन (C) आवर्त सारणी के समूह 14 से संबंधित एक अधातु तत्व है। इसके अद्वितीय गुणधर्म, जैसे श्रृंखलन (catenation) और चतुःसंयोजकता (tetravalency), कार्बनिक रसायन विज्ञान के लिए मौलिक हैं।

अभिक्रियाशीलता

• अभिक्रियाशीलता श्रृंखला में स्थिति: कार्बन को आमतौर पर मानक धातु अभिक्रियाशीलता श्रृंखला में शामिल नहीं किया जाता है। एक अधातु के रूप में, इसकी अभिक्रियाशीलता को सहसंयोजक बंध बनाने की इसकी प्रवृत्ति द्वारा वर्णित किया जाता है।
• विद्युत् ऋणात्मकता: 2.55 की पॉलिंग विद्युत् ऋणात्मकता के साथ, कार्बन की विद्युत् ऋणात्मकता मध्यम होती है, जिससे यह अधिक विद्युत् ऋणात्मक और कम विद्युत् ऋणात्मक दोनों प्रकार के तत्वों के साथ स्थिर सहसंयोजक बंध बना सकता है।
• सामान्य अभिक्रियाशीलता: कार्बन आमतौर पर कमरे के तापमान पर अक्रियाशील होता है, लेकिन उच्च तापमान पर अत्यधिक अभिक्रियाशील हो जाता है। यह मुख्य रूप से अपने यौगिकों में +4 और +2 ऑक्सीकरण अवस्थाएँ प्रदर्शित करता है। अपने छोटे आकार के कारण, यह अन्य छोटे परमाणुओं, जिनमें स्वयं भी शामिल है, के साथ स्थिर बहुबंध (द्विबंध और त्रिबंध) बनाता है।

वायु और ऑक्सीजन की क्रिया

कार्बन गर्म करने पर ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया करता है, जिससे दहन होता है। उत्पाद ऑक्सीजन की उपलब्धता पर निर्भर करते हैं।

ऑक्सीकरण/दहन अभिक्रियाएँ

• पूर्ण दहन (पर्याप्त ऑक्सीजन): जब कार्बन ऑक्सीजन की प्रचुर आपूर्ति में जलता है, तो यह कार्बन डाइऑक्साइड, एक गैर-विषाक्त गैस बनाता है। $\text\{C\} (\text\{s\}) + \text\{O\}_2 (\text\{g\}) \xrightarrow\{\text\{heat\}\} \text\{CO\}_2 (\text\{g\})$
• अपूर्ण दहन (अपर्याप्त ऑक्सीजन): जब कार्बन ऑक्सीजन की सीमित आपूर्ति में जलता है, तो यह कार्बन मोनोऑक्साइड, एक अत्यधिक विषाक्त गैस बनाता है। $2\text\{C\} (\text\{s\}) + \text\{O\}_2 (\text\{g\}) \xrightarrow\{\text\{heat\}\} 2\text\{CO\} (\text\{g\})$

जल और भाप की क्रिया

तत्वीय कार्बन तरल जल के साथ अभिक्रिया नहीं करता है, यहाँ तक कि गर्म होने पर भी नहीं। हालांकि, यह बहुत उच्च तापमान पर भाप के साथ अभिक्रिया करता है।

भाप के साथ अभिक्रिया

• उच्च तापमान पर (1000°C - 1200°C): जब लाल-तप्त कार्बन (कोक) पर भाप गुजारी जाती है, तो कार्बन मोनोऑक्साइड और हाइड्रोजन गैस का मिश्रण बनता है। यह मिश्रण जल गैस या संश्लेषण गैस के रूप में जाना जाता है, जो एक महत्वपूर्ण औद्योगिक ईंधन और कच्चा माल है। $\text\{C\} (\text\{s\}) + \text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{g\}) \xrightarrow\{1000-1200^\circ\text\{C\}\} \text\{CO\} (\text\{g\}) + \text\{H\}_2 (\text\{g\})$

अम्लों और क्षारों की क्रिया

तत्वीय कार्बन आमतौर पर गैर-ऑक्सीकारक अम्लों और क्षारों के साथ अक्रियाशील होता है। यह केवल गर्म करने पर प्रबल ऑक्सीकारक सांद्र अम्लों के साथ अभिक्रिया करता है।

अम्लों की क्रिया

• गैर-ऑक्सीकारक अम्ल (जैसे, तनु HCl, तनु H$_2$SO$_4$): तत्वीय कार्बन (जैसे, ग्रेफाइट, चारकोल) तनु अम्लों के साथ अभिक्रिया नहीं करता है।
• सांद्र ऑक्सीकारक अम्ल:
  • सांद्र नाइट्रिक अम्ल ($\text\{HNO\}_3$): जब सांद्र नाइट्रिक अम्ल के साथ गर्म किया जाता है, तो कार्बन कार्बन डाइऑक्साइड में ऑक्सीकृत होता है, जबकि नाइट्रिक अम्ल नाइट्रोजन डाइऑक्साइड में अपचयित होता है। $\text\{C\} (\text\{s\}) + 4\text\{HNO\}_3 (\text\{conc.\}) \xrightarrow\{\text\{heat\}\} \text\{CO\}_2 (\text\{g\}) + 4\text\{NO\}_2 (\text\{g\}) + 2\text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{l\})$
  • सांद्र सल्फ्यूरिक अम्ल ($\text\{H\}_2\text\{SO\}_4$): जब सांद्र सल्फ्यूरिक अम्ल के साथ गर्म किया जाता है, तो कार्बन कार्बन डाइऑक्साइड में ऑक्सीकृत होता है, और सल्फ्यूरिक अम्ल सल्फर डाइऑक्साइड में अपचयित होता है। $\text\{C\} (\text\{s\}) + 2\text\{H\}_2\text\{SO\}_4 (\text\{conc.\}) \xrightarrow\{\text\{heat\}\} \text\{CO\}_2 (\text\{g\}) + 2\text\{SO\}_2 (\text\{g\}) + 2\text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{l\})$

क्षारों (क्षारक) की क्रिया

• तत्वीय कार्बन क्षारों (क्षारक) के साथ अभिक्रिया नहीं करता है।

प्रमुख प्रयोगशाला परीक्षण/पहचान अभिक्रियाएँ

कार्बनिक यौगिकों में कार्बन की उपस्थिति को आमतौर पर दहन द्वारा पहचाना जाता है। सबसे सामान्य परीक्षण गैसीय उत्पाद, कार्बन डाइऑक्साइड के लिए होता है। कार्बोनेट आयनों की पहचान के लिए, एक अलग तरीका उपयोग किया जाता है।

कार्बन की पहचान ($\text\{CO\}_2$ उत्पादन के माध्यम से)

• दहन और चूने के पानी का परीक्षण: जब कार्बन युक्त किसी पदार्थ को हवा या ऑक्सीजन में गर्म किया जाता है, तो वह कार्बन डाइऑक्साइड बनाता है। उत्पन्न $\text\{CO\}_2$ गैस को फिर चूने के पानी (कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड घोल) से गुजारा जाता है, जो अघुलनशील कैल्शियम कार्बोनेट के निर्माण के कारण दूधिया हो जाता है। $\text\{C\}_\{\text\{(in compound)\}\} + \text\{O\}_2 (\text\{g\}) \xrightarrow\{\text\{heat\}\} \text\{CO\}_2 (\text\{g\})$ $\text\{CO\}_2 (\text\{g\}) + \text\{Ca(OH)\}_2 (\text\{aq\}) \rightarrow \text\{CaCO\}_3 (\text\{s\}) \downarrow + \text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{l\})$
  • ध्यान दें: यदि दूधिया घोल से अतिरिक्त $\text\{CO\}_2$ गुजारी जाती है, तो घुलनशील कैल्शियम बाइकार्बोनेट के निर्माण के कारण दूधियापन गायब हो जाता है। $\text\{CaCO\}_3 (\text\{s\}) + \text\{CO\}_2 (\text\{g\}) + \text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{l\}) \rightarrow \text\{Ca(HCO\}_3)_2 (\text\{aq\})$

कार्बोनेट आयनों ($\text\{CO\}_3^\{2-\}$) की पहचान

• तनु अम्ल परीक्षण: कार्बोनेट युक्त यौगिक (जैसे, लवण) तनु अम्लों (जैसे HCl या $\text\{H\}_2\text\{SO\}_4$) के साथ अभिक्रिया करके रंगहीन, गंधहीन कार्बन डाइऑक्साइड गैस का तीव्र बुदबुदाहट उत्पन्न करते हैं। $\text\{Na\}_2\text\{CO\}_3 (\text\{s\}) + 2\text\{HCl\} (\text\{aq\}) \rightarrow 2\text\{NaCl\} (\text\{aq\}) + \text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{l\}) + \text\{CO\}_2 (\text\{g\})$ उत्पन्न $\text\{CO\}_2$ गैस की पुष्टि तब ऊपर वर्णित चूने के पानी के परीक्षण का उपयोग करके की जाती है।