कार्बन संयुगे - उजळणी मार्गदर्शक

कार्बनच्या प्रमुख संयुगांची ओळख

कार्बन हा अधातू असून, त्याची कॅटिनेशन करण्याची आणि इतर मूलद्रव्यांसोबत मजबूत सहसंयुजी बंध (covalent bonds) तयार करण्याची अद्वितीय क्षमता आहे, ज्यामुळे तो अनेक प्रकारची संयुगे (compounds) बनवतो. उच्च शालेय रसायनशास्त्रात, कार्बनच्या सर्वात जास्त अभ्यासल्या जाणाऱ्या अजैविक संयुगांमध्ये (inorganic compounds) त्याची ऑक्साईड्स (कार्बन डायऑक्साइड, कार्बन मोनोऑक्साइड) आणि कार्बोनेटस् यांचा समावेश होतो. ही संयुगे अनेक औद्योगिक प्रक्रिया, जैविक चक्रे आणि दैनंदिन जीवनासाठी अत्यंत महत्त्वाची आहेत.

1. कार्बन डायऑक्साइड (CO₂)

रासायनिक सूत्र आणि सामान्य नाव

• रासायनिक सूत्र: CO₂
• सामान्य नाव: कार्बन डायऑक्साइड; शुष्क बर्फ (स्थायू स्वरूप)

प्रयोगशाळेतील निर्मिती

प्रयोगशाळेत कार्बन डायऑक्साइड सामान्यतः कॅल्शियम कार्बोनेटवर (उदा. मार्बल चिप्स) विरल हायड्रोक्लोरिक आम्लाची क्रिया करून तयार केला जातो.

• अभिक्रिया:

  CaCO₃(s) + 2HCl(aq) \rightarrow CaCl₂(aq) + H₂O(l) + CO₂(g)
  

• तत्त्व: आम्ल कार्बोनेटसोबत अभिक्रिया करून मीठ, पाणी आणि कार्बन डायऑक्साइड वायू तयार करते. हा वायू हवेपेक्षा जास्त घन असल्याने तो सामान्यतः पाण्याच्या अधोगामी विस्थापनाने (downward displacement) किंवा हवेच्या ऊर्ध्वगामी विस्थापनाने (upward displacement) गोळा केला जातो.

गुणधर्म

• भौतिक: रंगहीन, गंधहीन वायू; हवेपेक्षा जास्त घन; पाण्यात विद्राव्य (soluble); स्थायू CO₂ कक्ष तापमानावर आणि दाबावर थेट वायूमध्ये रूपांतरित (sublimes) होतो.
• रासायनिक:
  • आम्लधर्मी ऑक्साईड: पाण्यात विरघळून कार्बोनिक आम्ल (H₂CO₃) तयार करतो, जे एक दुर्बळ आम्ल आहे.

    CO₂(g) + H₂O(l) \rightleftharpoons H₂CO₃(aq)
    

  • अज्वलनशील: तो जळत नाही आणि आग विझवतो, म्हणूनच अग्निशामक यंत्रात (fire extinguishers) वापरला जातो.
  • क्षारकांसोबत अभिक्रिया: क्षारकांसोबत (bases) अभिक्रिया करून कार्बोनेटस् किंवा बायकार्बोनेटस् तयार करतो.
    • चुन्याच्या निवळीसोबत (कॅल्शियम हायड्रॉक्साइड द्रावण):

      Ca(OH)₂(aq) + CO₂(g) \rightarrow CaCO₃(s) + H₂O(l)
      

      (कॅल्शियम कार्बोनेटचा पांढरा अवक्षेप (white precipitate), CO₂ च्या चाचणीसाठी वापरला जातो)
      • जर जास्त CO₂ प्रवाहित केला तर:

      CaCO₃(s) + H₂O(l) + CO₂(g) \rightarrow Ca(HCO₃)₂(aq)
      

      (विद्राव्य कॅल्शियम बायकार्बोनेट, ज्यामुळे पांढरा अवक्षेप अदृश्य होतो)

2. कार्बन मोनोऑक्साइड (CO)

रासायनिक सूत्र आणि सामान्य नाव

• रासायनिक सूत्र: CO
• सामान्य नाव: कार्बन मोनोऑक्साइड

प्रयोगशाळेतील निर्मिती

प्रयोगशाळेत कार्बन मोनोऑक्साइड फॉर्मिक आम्लाचे (मेथनॉइक आम्ल) निर्जलीकरण (dehydration) संहत सल्फ्युरिक आम्लाचा निर्जलीकरण घटक (dehydrating agent) म्हणून वापर करून तयार करता येतो.

• अभिक्रिया:

  HCOOH(conc.) --(conc. H₂SO₄, 373K)--> CO(g) + H₂O(l)
  

• तत्त्व: संहत सल्फ्युरिक आम्ल फॉर्मिक आम्लामधून पाणी काढून टाकते, ज्यामुळे कार्बन मोनोऑक्साइड शिल्लक राहतो.

गुणधर्म आणि परीक्षाभिमुख अभिक्रिया

• भौतिक: रंगहीन, गंधहीन, चवहीन वायू; हवेपेक्षा किंचित कमी घन; पाण्यात अल्प प्रमाणात विद्राव्य.
• रासायनिक:
  • उदासीन ऑक्साईड: आम्ल किंवा क्षारकांसोबत अभिक्रिया करून क्षार (salts) तयार करत नाही.
  • अत्यंत विषारी: रक्तातील हिमोग्लोबिनसोबत अपरिवर्तनीयपणे (irreversibly) संलग्न होऊन कार्बोक्सिहिमोग्लोबिन (carboxyhaemoglobin) तयार करतो, ज्यामुळे ऑक्सिजन वहन थांबते.
  • शक्तिशाली क्षपणकारक (Reducing Agent): विशेषतः उच्च तापमानावर.
    • धातूंना त्यांच्या ऑक्साईडमधून वेगळे करणे (उदा. लोह निष्कर्षणामध्ये ब्लास्ट फर्नेसमध्ये):

      Fe₂O₃(s) + 3CO(g) \rightarrow 2Fe(s) + 3CO₂(g)
      

      ZnO(s) + CO(g) \rightarrow Zn(s) + CO₂(g)
      

  • ज्वलनशील: निळ्या ज्योतीने जळून कार्बन डायऑक्साइड तयार करतो.

    2CO(g) + O₂(g) \rightarrow 2CO₂(g)
    

  • क्लोरीनसोबत अभिक्रिया: फॉस्जीन (कार्बोनिल क्लोराईड) तयार करतो, जो एक अत्यंत विषारी वायू आहे.

    CO(g) + Cl₂(g) \rightarrow COCl₂(g)
    

3. महत्त्वाची कार्बोनेटस्

A. कॅल्शियम कार्बोनेट (CaCO₃)

• रासायनिक सूत्र: CaCO₃
• सामान्य नावे: चुनखडी (Limestone), संगमरवर (Marble), खडू (Chalk)

निर्मिती

नैसर्गिकरित्या मुबलक प्रमाणात आढळते. चुनखडीच्या निवळीतून कार्बन डायऑक्साइड वायू प्रवाहित करून प्रयोगशाळेत तयार करता येते.

• अभिक्रिया:

  Ca(OH)₂(aq) + CO₂(g) \rightarrow CaCO₃(s) + H₂O(l)
  

गुणधर्म आणि परीक्षाभिमुख अभिक्रिया

• भौतिक: पांढरा स्थायू, पाण्यात जवळजवळ अविद्राव्य (insoluble).
• रासायनिक:
  • आम्लांसोबत अभिक्रिया: विरल आम्लांसोबत विघटन होऊन कार्बन डायऑक्साइड वायू तयार करतो.

    CaCO₃(s) + 2HCl(aq) \rightarrow CaCl₂(aq) + H₂O(l) + CO₂(g)
    

    CaCO₃(s) + H₂SO₄(dilute) \rightarrow CaSO₄(s) + H₂O(l) + CO₂(g)
    

  • औष्णिक विघटन (Thermal Decomposition): तीव्र उष्णता दिल्यावर (कॅल्सीनेशन) विघटन होऊन कॅल्शियम ऑक्साईड (कळीचा चुना) आणि कार्बन डायऑक्साइड तयार करतो.

    CaCO₃(s) --(\Delta)--> CaO(s) + CO₂(g)
    

B. सोडियम कार्बोनेट (Na₂CO₃)

• रासायनिक सूत्र: Na₂CO₃
• सामान्य नावे: धुण्याचा सोडा (Washing soda) (Na₂CO₃·10H₂O), सोडा अॅश (जलविरहित Na₂CO₃)

निर्मिती (सॉल्वे प्रक्रिया – मुख्य टप्पा)

सोडियम कार्बोनेट तयार करण्यासाठी सॉल्वे प्रक्रिया ही एक औद्योगिक पद्धत आहे. यात सोडियम बायकार्बोनेटचे औष्णिक विघटन हा एक महत्त्वाचा टप्पा आहे.

• अभिक्रिया:

  2NaHCO₃(s) --(\Delta)--> Na₂CO₃(s) + H₂O(l) + CO₂(g)
  

गुणधर्म आणि परीक्षाभिमुख अभिक्रिया

• भौतिक: पांढरा स्फटिकासारखा स्थायू, पाण्यात अत्यंत विद्राव्य, अल्कधर्मी द्रावणे (alkaline solutions) तयार करतो.
  • उत्फुल्लता (Efflorescence): धुण्याचा सोडा (डेकाहायड्रेट) हवेच्या संपर्कात आल्यावर स्फटिकीकरणाचे पाणी (water of crystallisation) गमावतो.

    Na₂CO₃\cdot10H₂O(s) \rightarrow Na₂CO₃\cdot H₂O(s) + 9H₂O(g)
    

• रासायनिक:
  • जलीय अपघटन (Hydrolysis): कार्बोनेट आयनच्या जलीय अपघटनामुळे (hydrolysis) पाण्यात विरघळल्यावर अल्कधर्मी द्रावण तयार करतो.

    Na₂CO₃(aq) + 2H₂O(l) \rightleftharpoons 2NaOH(aq) + H₂CO₃(aq)
    

    किंवा अधिक अचूकपणे, कार्बोनेट आयनसाठी:

    CO₃^{2-}(aq) + H₂O(l) \rightleftharpoons HCO₃^{-}(aq) + OH^{-}(aq)
    

  • आम्लांसोबत अभिक्रिया: कार्बन डायऑक्साइड मुक्त करण्यासाठी आम्लांसोबत अभिक्रिया करतो.

    Na₂CO₃(aq) + 2HCl(aq) \rightarrow 2NaCl(aq) + H₂O(l) + CO₂(g)
    

कार्बन ऑक्साईड्सचे तुलनात्मक गुणधर्म

गुणधर्म	कार्बन डायऑक्साइड (CO₂)	कार्बन मोनोऑक्साइड (CO)
ऑक्साईडचे स्वरूप	आम्लधर्मी ऑक्साईड	उदासीन ऑक्साईड
पाण्यातील विद्राव्यता	विद्राव्य, कार्बोनिक आम्ल तयार करतो	अल्प प्रमाणात विद्राव्य
घनता (हवेच्या तुलनेत)	हवेपेक्षा जास्त घन	हवेपेक्षा किंचित कमी घन
ज्वलनशीलता	अज्वलनशील, आग विझवतो	ज्वलनशील, निळ्या ज्योतीने जळतो
क्षपणकारक गुणधर्म	खूप दुर्बळ/नाही	शक्तिशाली क्षपणकारक
शारीरिक परिणाम	उच्च सांद्रतेवर गुदमरवणारे	अत्यंत विषारी (कार्बोक्सिहिमोग्लोबिन तयार करतो)
NaOH सोबत अभिक्रिया	सोडियम कार्बोनेट/बायकार्बोनेट तयार करतो	अभिक्रिया करत नाही
सामान्य उपयोग	अग्निशामक यंत्र, कार्बोनेटेड पेये, प्रकाशसंश्लेषण	इंधन वायू, धातूशास्त्रात क्षपणकारक, संश्लेषण वायू