कार्बनचे रसायनशास्त्र: सराव प्रश्न

बहुपर्यायी प्रश्न (MCQs)

प्रश्न 1

कार्बनच्या अपरूपांविषयी खालीलपैकी कोणते विधान चुकीचे आहे?

A) हिऱ्यामध्ये sp³ संकरित कार्बन अणूंसह 3D जाळी रचना असते. B) ग्रॅफाइटमध्ये sp² संकरित कार्बन अणूंसह स्तरित रचना असते. C) फुलरिन हे कार्बन अणूंच्या पंचकोनी आणि षटकोनी वलयांनी बनलेले पिंजरा-सारखे रेणू आहेत. D) कार्बन नॅनोट्यूब्स हे ग्राफीन शीट गुंडाळून तयार केलेल्या 2D रचना आहेत.

उत्तर 1

योग्य उत्तर: D

स्पष्टीकरण: कार्बन नॅनोट्यूब्स हे ग्राफीनच्या एक किंवा अनेक शीट्स गुंडाळून तयार केलेल्या एक-मितीय (1D) दंडगोलाकार रचना आहेत. ग्राफीन स्वतः 2D साहित्य आहे, परंतु त्यापासून तयार झालेले नॅनोट्यूब्स त्यांच्या अक्षावर मूलतः 1D असतात. इतर विधाने (A, B, C) हिरा, ग्रॅफाइट आणि फुलरिनच्या रचनांचे अचूक वर्णन करतात.

प्रश्न 2

कार्बन मोनोऑक्साइड (CO) साठी खालीलपैकी कोणते सत्य आहे?

A) ते आम्लधर्मी ऑक्साइड आहे. B) ते एक मजबूत ऑक्सिडायझिंग एजंट आहे. C) हिमोग्लोबिनसाठी त्याच्या आसक्तीमुळे ते अत्यंत विषारी आहे. D) ते ओलसर निळ्या लिटमसला लाल करते.

उत्तर 2

योग्य उत्तर: C

स्पष्टीकरण: कार्बन मोनोऑक्साइड (CO) हा अत्यंत विषारी वायू आहे. तो लाल रक्तपेशींमधील हिमोग्लोबिनमधील लोहाशी ऑक्सिजनपेक्षा सुमारे 200-250 पट अधिक घट्टपणे बांधला जातो, ज्यामुळे कार्बोक्सीहिमोग्लोबिन तयार होते. हे स्थिर संकुल रक्ताची ऑक्सिजन वाहून नेण्याची क्षमता कमी करते, ज्यामुळे ऊतींमध्ये ऑक्सिजनची कमतरता निर्माण होते आणि संभाव्यतः मृत्यू होऊ शकतो.

• CO हे उदासीन ऑक्साइड आहे, आम्लधर्मी नाही (A चुकीचे आहे).
• CO हे मजबूत रिड्युसिंग एजंट आहे, ऑक्सिडायझिंग एजंट नाही (B चुकीचे आहे).
• उदासीन ऑक्साइड असल्यामुळे, ते लिटमस पेपरचा रंग बदलत नाही (D चुकीचे आहे).

प्रश्न 3

जेव्हा कार्बन कॅल्शियम (Ca) किंवा ॲल्युमिनियम (Al) सारख्या अत्यंत विद्युतधर्मी मूलद्रव्यांशी अभिक्रिया करतो, तेव्हा सामान्यतः कोणत्या प्रकारचे कार्बाइड तयार होते?

A) सहसंयोजक कार्बाइड B) आंतरस्थ कार्बाइड C) आयनिक कार्बाइड D) पॉलिमेरिक कार्बाइड

उत्तर 3

योग्य उत्तर: C

स्पष्टीकरण: अत्यंत विद्युतधर्मी मूलद्रव्ये, विशेषतः गट 1 (अल्कली धातू), गट 2 (अल्कधर्मी मृदा धातू) आणि गट 13 (ॲल्युमिनियम सारखे), आयनिक कार्बाइड तयार करतात. या कार्बाइडमध्ये C₂²⁻ (ॲसेटिलाइड आयन, उदा. CaC₂) किंवा C⁴⁻ (मेथनाइड आयन, उदा. Al₄C₃) सारखे स्वतंत्र कार्बाइड ॲनायन असतात. जलविघटन झाल्यावर, ॲसेटिलाइड्स ॲसेटिलीन तयार करतात आणि मेथनाइड्स मिथेन तयार करतात.

• सहसंयोजक कार्बाइड (उदा. SiC, B₄C) समान ऋणविद्युतता असलेल्या मूलद्रव्यांसह तयार होतात.
• आंतरस्थ कार्बाइड (उदा. Fe₃C, WC) संक्रमण धातूंसह तयार होतात जिथे कार्बन अणू धातूच्या जाळीतील आंतरस्थ जागा व्यापतात.

विधान-कारण प्रश्न

प्रश्न 1

विधान (A): ग्रॅफाइट विजेचा चांगला सुवाहक आहे, तर हिरा विद्युत दुर्वाहक आहे. कारण (R): ग्रॅफाइटमध्ये, प्रत्येक कार्बन अणू sp² संकरित असतो आणि एक व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉन विस्थापित होऊन (delocalized) एक गतिशील इलेक्ट्रॉन ढग तयार करतो. हिऱ्यामध्ये, प्रत्येक कार्बन अणू sp³ संकरित असतो आणि सर्व व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉन सिग्मा बंधात गुंतलेले असतात.

A) A आणि R दोन्ही सत्य आहेत आणि R हे A चे योग्य स्पष्टीकरण आहे. B) A आणि R दोन्ही सत्य आहेत, परंतु R हे A चे योग्य स्पष्टीकरण नाही. C) A सत्य आहे, परंतु R असत्य आहे. D) A असत्य आहे, परंतु R सत्य आहे. E) A आणि R दोन्ही असत्य आहेत.

उत्तर 1

योग्य उत्तर: A

स्पष्टीकरण: विधान (A) सत्य आहे. ग्रॅफाइटची स्तरित रचना त्याला विद्युत वहन करण्यास अनुमती देते, तर हिऱ्याची कठीण सहसंयोजक जाळी त्याला दुर्वाहक बनवते. कारण (R) देखील सत्य आहे आणि विधानाचे योग्य स्पष्टीकरण देते. ग्रॅफाइटमध्ये, प्रत्येक कार्बन अणू sp² संकरित असतो आणि त्याच स्तरातील इतर तीन कार्बन अणूंशी जोडलेला असतो, ज्यामुळे एक असंकरित p-ऑर्बिटल स्तरांना लंब राहते. हे p-ऑर्बिटल्स एकमेकांवर आच्छादित होऊन एक विस्थापित इलेक्ट्रॉन ढग तयार करतात, ज्यामुळे इलेक्ट्रॉन मुक्तपणे फिरू शकतात आणि त्यामुळे ग्रॅफाइट विजेचा चांगला सुवाहक बनतो. हिऱ्यामध्ये, प्रत्येक कार्बन अणू sp³ संकरित असतो आणि चतुष्कोणीय रचनेत इतर चार कार्बन अणूंशी जोडलेला असतो. सर्व व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉन मजबूत सिग्मा बंधात घट्ट धरलेले असतात, वहनासाठी कोणतेही मुक्त इलेक्ट्रॉन उपलब्ध नसतात, त्यामुळे तो दुर्वाहक म्हणून कार्य करतो.

प्रश्न 2

विधान (A): कार्बन मोनोऑक्साइड अत्यंत विषारी आहे. कारण (R): कार्बन मोनोऑक्साइड हिमोग्लोबिनसोबत कार्बोक्सीहिमोग्लोबिन नावाचे एक स्थिर संकुल (complex) तयार करते, जे ऑक्सिहिमोग्लोबिनपेक्षा सुमारे 200-250 पट अधिक स्थिर असते.

A) A आणि R दोन्ही सत्य आहेत आणि R हे A चे योग्य स्पष्टीकरण आहे. B) A आणि R दोन्ही सत्य आहेत, परंतु R हे A चे योग्य स्पष्टीकरण नाही. C) A सत्य आहे, परंतु R असत्य आहे. D) A असत्य आहे, परंतु R सत्य आहे. E) A आणि R दोन्ही असत्य आहेत.

उत्तर 2

योग्य उत्तर: A

स्पष्टीकरण: विधान (A) सत्य आहे. कार्बन मोनोऑक्साइड खरोखरच एक अत्यंत विषारी वायू आहे. कारण (R) देखील सत्य आहे आणि त्याच्या विषारीपणाचे योग्य स्पष्टीकरण देते. CO ची ऑक्सिजनपेक्षा हिमोग्लोबिनमधील हिम लोहासाठी खूप जास्त आसक्ती असते. जेव्हा CO हिमोग्लोबिनशी बांधले जाते, तेव्हा ते कार्बोक्सीहिमोग्लोबिन तयार करते, जे ऑक्सिहिमोग्लोबिनपेक्षा लक्षणीयरीत्या अधिक स्थिर असते. यामुळे हिमोग्लोबिन शरीराच्या ऊतींपर्यंत ऑक्सिजन पोहोचवू शकत नाही, ज्यामुळे पेशींमध्ये ऑक्सिजनची कमतरता (hypoxia) येते आणि संभाव्यतः मृत्यू होतो.

लघुत्तरी प्रश्न

प्रश्न 1

कार्बन गट 14 मूलद्रव्यांमध्ये शृंखलनाची (catenation) सर्वाधिक प्रवृत्ती का दर्शवतो, हे स्पष्ट करा.

आदर्श उत्तर 1

शृंखलन (catenation) म्हणजे एखाद्या मूलद्रव्याच्या अणूंनी स्वतःच्याच अणूंबरोबर बंध तयार करण्याची, लांब साखळ्या किंवा वलये बनवण्याची क्षमता. कार्बन शृंखलनाची सर्वाधिक प्रवृत्ती खालील कारणांमुळे दर्शवतो:

1. लहान आकार: कार्बन अणू तुलनेने लहान असतात, ज्यामुळे ते इतर कार्बन अणूंशी महत्त्वपूर्ण स्थलीय विकर्षण (steric repulsion) न होता मजबूत, स्थिर सहसंयोजक बंध तयार करू शकतात.
2. उच्च C-C बंध ऊर्जा: कार्बन-कार्बन एकेरी बंध (C-C) खूप मजबूत असतो (बंध ऊर्जा ≈ 348 kJ/mol), ज्यामुळे साखळ्या आणि वलये स्थिर राहतात. गट 14 मध्ये (Si, Ge, Sn, Pb) खाली जाताना, अणूंचा आकार वाढतो आणि E-E (मूलद्रव्य-मूलद्रव्य) बंधाची ताकद लक्षणीयरीत्या कमी होते (उदा. Si-Si बंध ऊर्जा ≈ 222 kJ/mol). या कमकुवत बंधाच्या ताकदीमुळे जड मूलद्रव्यांसाठी शृंखलित रचना कमी स्थिर असतात.
3. एकाधिक बंध तयार करण्याची क्षमता: कार्बन स्वतःबरोबर आणि इतर मूलद्रव्यांबरोबर स्थिर एकेरी (C-C), दुहेरी (C=C) आणि तिहेरी (C≡C) बंध तयार करू शकतो. या बहुमुखीपणामुळे (versatility) स्थिर शृंखलित रचना आणि समावयवींची (isomers) विस्तृत श्रेणी तयार होते. गट 14 मधील जड मूलद्रव्ये स्थिर एकाधिक बंध तयार करण्याची खूप कमी प्रवृत्ती दर्शवतात, कारण त्यांचा मोठा आकार आणि अधिक विखुरलेले p-ऑर्बिटल्स असतात, ज्यामुळे pπ-pπ आच्छादन (overlap) योग्य प्रकारे होत नाही.

प्रश्न 2

कार्बन डायऑक्साइड (CO₂) मधील रचना आणि बंधनाचे वर्णन करा.

आदर्श उत्तर 2

कार्बन डायऑक्साइड (CO₂) हे विशिष्ट रचना आणि बंध असलेले एक साधे आण्विक संयुग आहे:

1. संकरण (Hybridization): CO₂ मधील मध्यवर्ती कार्बन अणू sp संकरित असतो. तो दोन सिग्मा (σ) बंध आणि दोन पाय (π) बंध तयार करतो.
2. बंधन (Bonding):
   • कार्बन अणू प्रत्येक ऑक्सिजन अणूशी दोन C=O दुहेरी बंध तयार करतो.
   • प्रत्येक C=O दुहेरी बंधामध्ये कार्बनच्या sp संकरित ऑर्बिटलचे ऑक्सिजनच्या p ऑर्बिटलशी आच्छादन होऊन तयार झालेला एक सिग्मा (σ) बंध असतो आणि कार्बनच्या असंकरित p ऑर्बिटलचे ऑक्सिजनच्या दुसऱ्या p ऑर्बिटलशी पार्श्व आच्छादन (lateral overlap) होऊन तयार झालेला एक पाय (π) बंध असतो.
3. भूमिती (Geometry): sp संकरणामुळे, रेणूची रेषीय भूमिती असते आणि बंध कोन 180° असतो.
4. ध्रुवीयता (Polarity): C=O बंध कार्बन आणि ऑक्सिजनमधील ऋणविद्युततेतील फरकामुळे ध्रुवीय असले तरी, दोन C=O द्विध्रुव क्षणांची (dipole moments) रेषीय सममितीय मांडणी त्यांच्या रद्दबातल होण्यास कारणीभूत ठरते. त्यामुळे, CO₂ रेणू एकंदरीत अध्रुवीय (nonpolar) असतो.
5. भौतिक अवस्था (Physical State): खोलीच्या तापमानाला आणि दाबाला, CO₂ हा वायू असतो. त्याच्या स्थायू अवस्थेत (ड्राय आईस), तो दुर्बळ आंतरआण्विक बलांनी (लंडन परिक्षेपण बल) एकत्र धरलेला आण्विक स्थायू असतो.

उच्च-स्तर विचार कौशल्य (HOTS) प्रश्न

प्रश्न 1

कार्बन डायऑक्साइड (CO₂) खोलीच्या तापमानाला वायू असतो, तर सिलिकॉन डायऑक्साइड (SiO₂) एक कठीण, उच्च-वितळणबिंदू असलेला स्थायू असतो, असे का? त्यांच्या बंधनामध्ये आणि रचनेतील मूलभूत फरक स्पष्ट करा.

आदर्श उत्तर 1

खोलीच्या तापमानाला CO₂ आणि SiO₂ च्या भौतिक अवस्थेतील तीव्र फरक (CO₂ वायू म्हणून, SiO₂ कठीण स्थायू म्हणून) त्यांच्या बंधनामध्ये आणि आण्विक रचनांमधील मूलभूत फरकांमुळे उद्भवतो.

1. कार्बन डायऑक्साइड (CO₂):

   • रचना: CO₂ स्वतंत्र, साध्या ट्रायअटॉमिक रेणूंच्या (O=C=O) स्वरूपात अस्तित्वात असतो. मध्यवर्ती कार्बन अणू sp संकरणामुळे दोन C=O दुहेरी बंध तयार करतो, परिणामी रेषीय भूमिती मिळते.
   • बंधन: प्रत्येक CO₂ रेणूमध्ये, कार्बन आणि ऑक्सिजन दरम्यान मजबूत सहसंयोजक बंध अस्तित्वात असतात. तथापि, वैयक्तिक CO₂ रेणू स्थायू किंवा द्रव अवस्थेत केवळ दुर्बळ आंतरआण्विक बलांनी, विशेषतः लंडन परिक्षेपण बलांनी (व्हॅन डर वाल्स बल) एकत्र धरलेले असतात.
   • परिणाम: या दुर्बळ आंतरआण्विक बलांवर मात करण्यासाठी खूप कमी ऊर्जा लागते. म्हणूनच, CO₂ चा वितळणबिंदू खूप कमी असतो (-56.6 °C 5.1 atm वर, -78.5 °C 1 atm वर उर्ध्वपातन होते) आणि खोलीच्या तापमानाला तो वायू असतो.

2. सिलिकॉन डायऑक्साइड (SiO₂):

   • रचना: SiO₂ हा CO₂ सारखा स्वतंत्र रेणूंच्या स्वरूपात अस्तित्वात नसतो. त्याऐवजी, तो प्रचंड सहसंयोजक जाळी रचना (महाआण्विक रचना) तयार करतो, जी हिऱ्यासारखी असते. या रचनेत, प्रत्येक सिलिकॉन अणू चार ऑक्सिजन अणूंशी चतुष्कोणीयपणे जोडलेला असतो आणि प्रत्येक ऑक्सिजन अणू दोन सिलिकॉन अणूंना जोडतो. यामुळे मजबूत सहसंयोजक Si-O-Si बंधांचे एक सतत 3D जाळे तयार होते.
   • बंधन: SiO₂ चा संपूर्ण स्फटिक मजबूत सहसंयोजक एकेरी बंधांच्या विस्तृत जाळ्याने एकत्र धरलेला असतो. कार्बनपेक्षा मोठा असल्याने, सिलिकॉन Si=O दुहेरी बंधांऐवजी चार मजबूत Si-O एकेरी बंध तयार करण्यास प्राधान्य देतो. सिलिकॉनसाठी pπ-pπ दुहेरी बंध (Si=O) तयार करणे अनुकूल नसते, कारण त्याचे 3p ऑर्बिटल्स मोठे असतात आणि ऑक्सिजनच्या 2p ऑर्बिटल्ससोबत प्रभावी पार्श्व आच्छादन (lateral overlap) होण्यासाठी ते खूप विखुरलेले असतात.
   • परिणाम: SiO₂ वितळवण्यासाठी किंवा उकळण्यासाठी, संपूर्ण जाळ्यातील हे विस्तृत आणि मजबूत सहसंयोजक बंध तोडण्यासाठी मोठ्या प्रमाणात ऊर्जा लागते. म्हणूनच, SiO₂ खोलीच्या तापमानाला एक कठीण, उच्च-वितळणबिंदू असलेला स्थायू असतो (वितळणबिंदू ≈ 1710 °C).

थोडक्यात, मुख्य फरक कार्बनच्या स्थिर pπ-pπ एकाधिक बंध (C=O) तयार करण्याच्या क्षमतेमध्ये आहे, ज्यामुळे स्वतंत्र आण्विक एकके तयार होतात, तर सिलिकॉन मजबूत σ बंध तयार करण्यास प्राधान्य देतो आणि ऑक्सिजनसह स्थिर pπ-pπ एकाधिक बंध तयार करण्यास असमर्थ असतो, ज्यामुळे विस्तृत प्रचंड सहसंयोजक जाळी रचना तयार होते.