कॉपर (Cu): गुणधर्म, अभिक्रियाएँ और अनुप्रयोग (जेईई/नीट/सीबीएसई पुनरीक्षण)

कॉपर (Cu) का परिचय

कॉपर (Cu), एक संक्रमण धातु, मानव इतिहास में प्राचीन औजारों और सिक्कों से लेकर आधुनिक विद्युत तारों और इलेक्ट्रॉनिक्स तक महत्वपूर्ण रहा है। इसकी उच्च विद्युत और तापीय चालकता, आघातवर्धनीयता (malleability), तन्यता (ductility), और संक्षारण प्रतिरोध (corrosion resistance) का अनूठा संयोजन इसे कई अनुप्रयोगों में अपरिहार्य बनाता है।

सीबीएसई/जेईई त्वरित पुनरीक्षण नोट्स

• प्रतीक: Cu
• परमाणु क्रमांक: 29
• परमाणु द्रव्यमान: 63.55 g/mol
• इलेक्ट्रॉनिक विन्यास: [Ar] 3d^10 4s^1 (पूरी तरह से भरे हुए d-उपकोश की स्थिरता के कारण ऑफबाऊ सिद्धांत का एक अपवाद)
• समूह: 11 (या IB)
• आवर्त: 4
• ब्लॉक: d-ब्लॉक (संक्रमण धातु)
• सामान्य ऑक्सीकरण अवस्थाएँ: +1 (क्यूप्रस) और +2 (क्यूप्रिक)। +2 अवस्था जलीय विलयनों में सामान्यतः अधिक स्थिर होती है।
• प्रकृति: लाल-भूरे रंग की धातु, अत्यधिक आघातवर्धनीय और तन्य। ऊष्मा और विद्युत की उत्कृष्ट चालक। 3d^9 विन्यास में एक अयुग्मित इलेक्ट्रॉन के कारण Cu^2+ अवस्था में अनुचुंबकीय।

इलेक्ट्रॉनिक विन्यास और बंधन व्यवहार

कॉपर [Ar] 3d^9 4s^2 के अपेक्षित विन्यास के बजाय [Ar] 3d^10 4s^1 का एक असामान्य इलेक्ट्रॉनिक विन्यास दर्शाता है। यह पूरी तरह से भरे हुए (d^10) और आधे-भरे हुए (d^5) d-कक्षकों की बढ़ी हुई स्थिरता के कारण होता है।

• Cu^+ आयन (क्यूप्रस): 4s^1 इलेक्ट्रॉन के नुकसान से बनता है, जिसके परिणामस्वरूप [Ar] 3d^10 होता है। यह प्रतिचुंबकीय होता है और जलीय विलयन में आमतौर पर कम स्थिर होता है, जो Cu^2+ और Cu में असमानुपातन (disproportionate) करने की प्रवृत्ति रखता है। 2Cu^+(aq) → Cu^2+(aq) + Cu(s)
• Cu^2+ आयन (क्यूप्रिक): 4s^1 इलेक्ट्रॉन और एक 3d इलेक्ट्रॉन के नुकसान से बनता है, जिसके परिणामस्वरूप [Ar] 3d^9 होता है। यह एक अयुग्मित इलेक्ट्रॉन के कारण अनुचुंबकीय होता है और आमतौर पर नीले विलयन और यौगिक देता है। यह जलीय वातावरण में अधिक स्थिर ऑक्सीकरण अवस्था है।

कॉपर विभिन्न प्रकार के यौगिक बनाता है, जिनमें आयनिक लवण (उदाहरणार्थ, CuCl2), सहसंयोजक यौगिक, और लिगैंड अंतःक्रिया के लिए d-कक्षकों की उपलब्धता के कारण कई उपसहसंयोजन संकुल शामिल हैं।

महत्वपूर्ण रासायनिक अभिक्रियाएँ

1. वायु/ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया

• कमरे के तापमान पर: नम हवा में कॉपर धीरे-धीरे क्षीण होता है, जिसका कारण बेसिक कॉपर कार्बोनेट (जंग/काई) का बनना है। 2Cu(s) + H2O(l) + CO2(g) + O2(g) → CuCO3·Cu(OH)2(s)
• हवा में (तेजी से) गर्म करने पर: काला कॉपर(II) ऑक्साइड बनता है। 2Cu(s) + O2(g) → 2CuO(s)
• उच्च तापमान पर (सीमित ऑक्सीजन/अतिरिक्त Cu के साथ): लाल कॉपर(I) ऑक्साइड बनता है। 4Cu(s) + O2(g) → 2Cu2O(s)

2. अम्लों के साथ अभिक्रिया

कॉपर हाइड्रोजन की तुलना में कम अभिक्रियाशील होता है और तनु HCl या H2SO4 जैसे गैर-ऑक्सीकारक अम्लों के साथ अभिक्रिया नहीं करता है। हालांकि, यह ऑक्सीकारक अम्लों के साथ अभिक्रिया करता है।

• तनु नाइट्रिक अम्ल के साथ: नाइट्रिक ऑक्साइड गैस उत्पन्न करता है। 3Cu(s) + 8HNO3(dilute) → 3Cu(NO3)2(aq) + 2NO(g) + 4H2O(l)
• सांद्र नाइट्रिक अम्ल के साथ: नाइट्रोजन डाइऑक्साइड गैस उत्पन्न करता है। Cu(s) + 4HNO3(conc) → Cu(NO3)2(aq) + 2NO2(g) + 2H2O(l)
• गर्म, सांद्र सल्फ्यूरिक अम्ल के साथ: सल्फर डाइऑक्साइड गैस उत्पन्न करता है। Cu(s) + 2H2SO4(conc, hot) → CuSO4(aq) + SO2(g) + 2H2O(l)

3. हैलोजनों के साथ अभिक्रिया

• कॉपर हैलोजनों के साथ अभिक्रिया करके कॉपर(II) हैलाइड बनाता है। Cu(s) + Cl2(g) → CuCl2(s) Cu(s) + Br2(l) → CuBr2(s)

4. विस्थापन अभिक्रियाएँ

कॉपर कम अभिक्रियाशील धातुओं को उनके लवण विलयनों से विस्थापित कर सकता है।

• सिल्वर का विस्थापन: Cu(s) + 2AgNO3(aq) → Cu(NO3)2(aq) + 2Ag(s)

5. संकुल निर्माण

अमोनिया के साथ कॉपर(II) आयन टेट्राअमाइनकॉपर(II) आयन के निर्माण के कारण विशिष्ट गहरे नीले विलयन बनाते हैं।

• CuSO4(aq) + 4NH3(aq) → [Cu(NH3)4]SO4(aq)

औद्योगिक और जैविक महत्व

औद्योगिक महत्व

• विद्युत उद्योग: कॉपर की उच्च विद्युत चालकता इसे विद्युत तारों, केबलों और घटकों के लिए प्राथमिक सामग्री बनाती है।
• मिश्र धातुएँ: कई मिश्र धातुओं में एक आवश्यक घटक:
  • पीतल: (कॉपर + जिंक) - प्लंबिंग, संगीत वाद्ययंत्र, सजावटी वस्तुओं में उपयोग किया जाता है।
  • कांस्य: (कॉपर + टिन) - मूर्तियों, बेयरिंग, समुद्री फिटिंग में उपयोग किया जाता है।
  • जर्मन सिल्वर: (कॉपर + जिंक + निकल) - कटलरी, आभूषणों में उपयोग किया जाता है।
• निर्माण: अपनी स्थायित्व और संक्षारण प्रतिरोध के कारण छत, प्लंबिंग और वास्तुशिल्प अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है।
• सिक्के: ऐतिहासिक रूप से और वर्तमान में सिक्कों में उपयोग किया जाता है।
• उत्प्रेरण: कॉपर और इसके यौगिक विभिन्न कार्बनिक अभिक्रियाओं में उत्प्रेरक के रूप में कार्य करते हैं, जैसे कि थैलोसाइनिन रंगों का संश्लेषण।

जैविक महत्व

• आवश्यक सूक्ष्म तत्व: कॉपर सभी जीवित जीवों के लिए महत्वपूर्ण है, जिसकी बहुत कम मात्रा में आवश्यकता होती है।
• एंजाइम सहकारक: यह कई एंजाइमों का एक प्रमुख घटक है, जिनमें शामिल हैं:
  • साइटोक्रोम सी ऑक्सीडेज: कोशिकीय श्वसन में शामिल।
  • सुपरऑक्साइड डिसम्यूटेज़ (SOD): कोशिकाओं को क्षति से बचाने वाला एक एंटीऑक्सीडेंट एंजाइम।
  • टायरोसिनेज़: मेलेनिन उत्पादन में शामिल।
  • लाइसिल ऑक्सीडेज: कोलेजन और इलास्टिन क्रॉस-लिंकिंग (संयोजी ऊतक निर्माण) के लिए आवश्यक।
• ऑक्सीजन परिवहन: कुछ मोलस्क और आर्थ्रोपोड में, कॉपर युक्त प्रोटीन हेमोसायनिन ऑक्सीजन वाहक के रूप में कार्य करता है, जो कशेरुकियों में हीमोग्लोबिन के समान है।
• लौह उपापचय: लौह के अवशोषण, परिवहन और उपयोग में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।
• स्वास्थ्य संबंधी निहितार्थ: कॉपर की कमी और अधिकता दोनों ही गंभीर स्वास्थ्य समस्याओं का कारण बन सकते हैं।
  • विल्सन रोग: आनुवंशिक विकार जिसके कारण यकृत, मस्तिष्क और अन्य अंगों में अत्यधिक कॉपर जमा हो जाता है।
  • मेनकेस रोग: आनुवंशिक विकार जिसके कारण कॉपर की कमी हो जाती है।