कार्बन (C) - रासायनिक गुणधर्म आणि अभिक्रिया

रासायनिक गुणधर्मांचे विहंगावलोकन

कार्बन (C) हे आवर्त सारणीतील गट 14 मधील एक अधातु मूलद्रव्य आहे. त्याची शृंखलाबद्धता (catenation) आणि चतुःसंयुजता (tetravalency) यांसारखे अद्वितीय गुणधर्म सेंद्रिय रसायनशास्त्रासाठी मूलभूत आहेत.

अभिक्रियाशीलता

• अभिक्रियाशीलता श्रेणीतील स्थान: कार्बनचा सामान्यतः धातूंच्या मानक अभिक्रियाशीलता श्रेणीमध्ये समावेश केला जात नाही. अधातू असल्याने, त्याची अभिक्रियाशीलता सहसंयुज बंध तयार करण्याच्या त्याच्या प्रवृत्तीद्वारे वर्णन केली जाते.
• विद्युतऋणता: पॉलिंग विद्युतऋणता 2.55 सह, कार्बनची विद्युतऋणता मध्यम असते, ज्यामुळे ते अधिक विद्युतऋण आणि कमी विद्युतऋण दोन्ही मूलद्रव्यांसह स्थिर सहसंयुज बंध तयार करू शकते.
• सामान्य अभिक्रियाशीलता: कार्बन सामान्यतः खोलीच्या तापमानावर कमी अभिक्रियाशील असते परंतु उच्च तापमानावर ते अत्यंत अभिक्रियाशील बनते. ते त्याच्या संयुगांमध्ये प्रामुख्याने +4 आणि +2 ऑक्सिडीकरण अवस्था दर्शवते. त्याच्या लहान आकारामुळे, ते स्वतःसह इतर लहान अणूंशी स्थिर अनेक बंध (दुहेरी आणि तिहेरी) तयार करते.

हवा आणि ऑक्सिजनची क्रिया

कार्बन उष्णता दिल्यावर ऑक्सिजनसोबत अभिक्रिया करते, ज्यामुळे ज्वलन होते. उत्पादने ऑक्सिजनच्या उपलब्धतेवर अवलंबून असतात.

ऑक्सिडीकरण/ज्वलन अभिक्रिया

• पूर्ण ज्वलन (पुरेसा ऑक्सिजन): जेव्हा कार्बन पुरेसा ऑक्सिजन पुरवठ्यात जळते, तेव्हा ते कार्बन डायऑक्साइड, एक बिनविषारी वायू तयार करते. $\text\{C\} (\text\{s\}) + \text\{O\}_2 (\text\{g\}) \xrightarrow\{\text\{heat\}\} \text\{CO\}_2 (\text\{g\})$
• अपूर्ण ज्वलन (अपुरे ऑक्सिजन): जेव्हा कार्बन मर्यादित ऑक्सिजन पुरवठ्यात जळते, तेव्हा ते कार्बन मोनोऑक्साइड, एक अत्यंत विषारी वायू तयार करते. $2\text\{C\} (\text\{s\}) + \text\{O\}_2 (\text\{g\}) \xrightarrow\{\text\{heat\}\} 2\text\{CO\} (\text\{g\})$

पाणी आणि वाफेची क्रिया

मूलभूत कार्बन द्रव पाण्यासोबत अभिक्रिया करत नाही, गरम असतानाही नाही. तथापि, ते अतिउच्च तापमानावर वाफेशी अभिक्रिया करते.

वाफेशी अभिक्रिया

• उच्च तापमानावर (1000°C - 1200°C): जेव्हा वाफ लाल-तप्त कार्बन (कोक) वरून पाठवली जाते, तेव्हा कार्बन मोनोऑक्साइड आणि हायड्रोजन वायूचे मिश्रण तयार होते. हे मिश्रण वॉटर वायू (water gas) किंवा संश्लेषण वायू (synthesis gas) म्हणून ओळखले जाते, जे एक महत्त्वाचे औद्योगिक इंधन आणि कच्चा माल आहे. $\text\{C\} (\text\{s\}) + \text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{g\}) \xrightarrow\{1000-1200^\circ\text\{C\}\} \text\{CO\} (\text\{g\}) + \text\{H\}_2 (\text\{g\})$

आम्ल आणि आम्लारीची क्रिया

मूलभूत कार्बन सामान्यतः अन-ऑक्सिडीकरणशील आम्ल आणि आम्लारींसोबत अभिक्रिया करत नाही. ते केवळ उष्णता दिल्यावर तीव्र ऑक्सिडीकरणशील संहत आम्लांसोबत अभिक्रिया करते.

आम्लांची क्रिया

• अन-ऑक्सिडीकरणशील आम्ल (उदा. विरल HCl, विरल H$_2$SO$_4$): मूलभूत कार्बन (उदा. ग्राफाइट, कोळसा) विरल आम्लांसोबत अभिक्रिया करत नाही.
• संहत ऑक्सिडीकरणशील आम्ल:
  • संहत नायट्रिक आम्ल ($\text\{HNO\}_3$): जेव्हा संहत नायट्रिक आम्लासोबत गरम केले जाते, तेव्हा कार्बनचे ऑक्सिडीकरण होऊन कार्बन डायऑक्साइड तयार होते, तर नायट्रिक आम्लाचे क्षपण होऊन नायट्रोजन डायऑक्साइड तयार होते. $\text\{C\} (\text\{s\}) + 4\text\{HNO\}_3 (\text\{conc.\}) \xrightarrow\{\text\{heat\}\} \text\{CO\}_2 (\text\{g\}) + 4\text\{NO\}_2 (\text\{g\}) + 2\text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{l\})$
  • संहत सल्फ्युरिक आम्ल ($\text\{H\}_2\text\{SO\}_4$): जेव्हा संहत सल्फ्युरिक आम्लासोबत गरम केले जाते, तेव्हा कार्बनचे ऑक्सिडीकरण होऊन कार्बन डायऑक्साइड तयार होते, आणि सल्फ्युरिक आम्लाचे क्षपण होऊन सल्फर डायऑक्साइड तयार होते. $\text\{C\} (\text\{s\}) + 2\text\{H\}_2\text\{SO\}_4 (\text\{conc.\}) \xrightarrow\{\text\{heat\}\} \text\{CO\}_2 (\text\{g\}) + 2\text\{SO\}_2 (\text\{g\}) + 2\text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{l\})$

आम्लारींची (अल्कली) क्रिया

• मूलभूत कार्बन आम्लारींसोबत (अल्कली) अभिक्रिया करत नाही.

प्रमुख प्रयोगशाळा चाचणी/ओळख अभिक्रिया

सेंद्रिय संयुगांमध्ये कार्बनची उपस्थिती सामान्यतः ज्वलनाने ओळखली जाते. सर्वात सामान्य चाचणी वायुरूप उत्पादनासाठी, कार्बन डायऑक्साइडसाठी असते. कार्बोनेट आयन ओळखण्यासाठी, एक वेगळा दृष्टिकोन वापरला जातो.

कार्बनची ओळख ($\text\{CO\}_2$ उत्पादनाद्वारे)

• ज्वलन आणि चुनपाणी चाचणी: जेव्हा कार्बन असलेले पदार्थ हवा किंवा ऑक्सिजनमध्ये गरम केले जातात, तेव्हा कार्बन डायऑक्साइड तयार होते. उत्सर्जित $\text\{CO\}_2$ वायू नंतर चुनपाण्यामधून (कॅल्शियम हायड्रॉक्साईड द्रावण) पाठवला जातो, ज्यामुळे अविद्राव्य कॅल्शियम कार्बोनेट तयार झाल्यामुळे द्रावण दुधाळ होते. $\text\{C\}_\{\text\{(in compound)\}\} + \text\{O\}_2 (\text\{g\}) \xrightarrow\{\text\{heat\}\} \text\{CO\}_2 (\text\{g\})$ $\text\{CO\}_2 (\text\{g\}) + \text\{Ca(OH)\}_2 (\text\{aq\}) \rightarrow \text\{CaCO\}_3 (\text\{s\}) \downarrow + \text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{l\})$
  • टीप: जर दुधाळ द्रावणातून जास्त $\text\{CO\}_2$ वायू पाठवला गेला, तर विद्राव्य कॅल्शियम बायकार्बोनेट तयार झाल्यामुळे दुधाळपणा नाहीसा होतो. $\text\{CaCO\}_3 (\text\{s\}) + \text\{CO\}_2 (\text\{g\}) + \text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{l\}) \rightarrow \text\{Ca(HCO\}_3)_2 (\text\{aq\})$

कार्बोनेट आयनची ($\text\{CO\}_3^\{2-\}$ ) ओळख

• विरल आम्ल चाचणी: कार्बोनेट असलेले संयुगे (उदा. क्षार) विरल आम्लांसोबत (जसे की HCl किंवा $\text\{H\}_2\text\{SO\}_4$) अभिक्रिया करून रंगहीन, गंधहीन कार्बन डायऑक्साइड वायूचे तीव्र बुडबुडे (effervescence) तयार करतात. $\text\{Na\}_2\text\{CO\}_3 (\text\{s\}) + 2\text\{HCl\} (\text\{aq\}) \rightarrow 2\text\{NaCl\} (\text\{aq\}) + \text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{l\}) + \text\{CO\}_2 (\text\{g\})$ उत्सर्जित $\text\{CO\}_2$ वायूची वरीलप्रमाणे वर्णन केलेल्या चुनपाणी चाचणीचा वापर करून पुष्टी केली जाते.