Revision Guide • Class 10-12 / JEE / NEET
கார்பன் (C): அணு அமைப்பு மற்றும் பிணைப்பு
By Periodic Table India
CBSE / JEE Prep Notes
- Carbon - Atomic Structure - Chemical Bonding - JEE - NEET - Chemistry - Hybridization
அணு அளவீடுகளின் அறிமுகம்
கார்பன் (C) என்பது ஒரு அலோக தனிமம் ஆகும், இது கால அட்டவணையில் தொகுதி 14 மற்றும் அலைவுக்காலம் 2 இல் அமைந்துள்ளது. இதன் அணு அமைப்பு அதன் மாறுபட்ட வேதியியல் பண்புகள் மற்றும் பிணைப்பு நடத்தையை தீர்மானிக்கிறது.
அணு எண் (Z)
- வரையறை: அணுவின் உட்கருவில் உள்ள புரோட்டான்களின் எண்ணிக்கை.
- கார்பன்: Z = 6. இதன் பொருள் ஒரு நடுநிலை கார்பன் அணுவில் 6 புரோட்டான்கள் உள்ளன.
நிறை எண் (A)
- வரையறை: அணுவின் உட்கருவில் உள்ள புரோட்டான்கள் மற்றும் நியூட்ரான்களின் மொத்த எண்ணிக்கை.
- பொதுவான ஐசோடோப்: கார்பனின் மிகவும் பொதுவான ஐசோடோப் கார்பன்-12 (\text{^{12}C}) ஆகும், இதன் நிறை எண் 12 ஆகும்.
- நியூட்ரான்கள்: \text{^{12}C} க்கு, நியூட்ரான்களின் எண்ணிக்கை = A - Z = 12 - 6 = 6 நியூட்ரான்கள்.
- பிற ஐசோடோப்புகள்:
- \text{^{13}C}: 6 புரோட்டான்கள், 7 நியூட்ரான்கள் (நிலையானது, NMR ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபியில் பயன்படுத்தப்படுகிறது).
- \text{^{14}C}: 6 புரோட்டான்கள், 8 நியூட்ரான்கள் (கதிரியக்கமானது, கார்பன் டேட்டிங்கில் பயன்படுத்தப்படுகிறது).
எலக்ட்ரான்கள்
- நடுநிலை அணு: ஒரு நடுநிலை கார்பன் அணுவில், எலக்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கை புரோட்டான்களின் எண்ணிக்கைக்கு சமம்.
- கார்பன்: 6 எலக்ட்ரான்கள்.
துணைக்கூடு எலக்ட்ரான் அமைப்பு
ஒரு கார்பன் அணுவில் எலக்ட்ரான்கள் வெவ்வேறு ஆற்றல் நிலைகள் மற்றும் துணைக்கூடுகளில் பரவியுள்ள விதம்.
அடிப்படை நிலை எலக்ட்ரான் அமைப்பு
- குறியீடு: \text{1s² 2s² 2p²}
- கூடுகள்:
- முதல் கூடு (n=1): 1s ஆர்பிட்டாலில் 2 எலக்ட்ரான்களைக் கொண்டுள்ளது.
- இரண்டாவது கூடு (n=2): 4 எலக்ட்ரான்களைக் கொண்டுள்ளது (2s இல் 2, 2p ஆர்பிட்டால்களில் 2). இது இணைதிறன் கூடு ஆகும்.
ஆர்பிட்டால் வரைபடம் (அடிப்படை நிலை)
- ஹுண்டின் விதி: ஒரே ஆற்றல் மட்டத்தில் உள்ள ஆர்பிட்டால்களில் (p ஆர்பிட்டால்கள் போன்றவை) எலக்ட்ரான்கள் இணையாகச் சேருவதற்கு முன், தனித்தனியான ஆர்பிட்டால்களை ஒருமுக சுழற்சியுடன் நிரப்பும்.
- \text{1s: [↑↓]}
- \text{2s: [↑↓]}
- \text{2p: [↑][↑][ ]} (இரண்டு ஒற்றை நிரப்பப்பட்ட p ஆர்பிட்டால்கள், ஒரு காலியான p ஆர்பிட்டால்)
கிளர்வுற்ற நிலை எலக்ட்ரான் அமைப்பு (பிணைப்பிற்காக)
- பிணைப்புக்காக, நிரப்பப்பட்ட 2s ஆர்பிட்டாலில் இருந்து ஒரு எலக்ட்ரானை காலியான 2p ஆர்பிட்டாலுக்கு உயர்த்தலாம்.
- குறியீடு: \text{1s² 2s¹ 2p³}
- ஆர்பிட்டால் வரைபடம்:
- \text{1s: [↑↓]}
- \text{2s: [↑]}
- \text{2p: [↑][↑][↑]} (நான்கு ஒற்றை நிரப்பப்பட்ட ஆர்பிட்டால்கள்)
- இந்த கிளர்வுற்ற நிலை அமைப்பு கார்பனின் நான்கு இணைதிறனை விளக்குகிறது.
இணைதிறன் எலக்ட்ரான்கள் மற்றும் இணைதிறன்
இணைதிறன் எலக்ட்ரான்கள்
- வரையறை: ஒரு அணுவின் வெளிக்கூட்டில் உள்ள எலக்ட்ரான்கள். இவை வேதியியல் பிணைப்பில் ஈடுபடுகின்றன.
- கார்பன்: 4 இணைதிறன் எலக்ட்ரான்கள் (அடிப்படை நிலையில் 2s மற்றும் 2p ஆர்பிட்டால்களில் இருந்து தலா 2, அல்லது கிளர்வுற்ற நிலையில் 2s இல் இருந்து 1 மற்றும் 2p இல் இருந்து 3).
இணைதிறன்
- வரையறை: ஒரு தனிமத்தின் இணையும் திறன்.
- கார்பன்: கார்பன் பொதுவாக 4 இணைதிறனை (நான்கு இணைதிறன்) வெளிப்படுத்துகிறது. இது அதன் நான்கு இணைதிறன் எலக்ட்ரான்களை மற்ற அணுக்களுடன் பகிர்வதன் மூலம் ஆக்டெட்டை அடையும் திறனாகும்.
ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகள்
- கார்பன் -4 முதல் +4 வரையிலான பரந்த அளவிலான ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகளை வெளிப்படுத்துகிறது.
- -4: மீத்தேன் (\text{CH₄}) இல், கார்பன் அதிக எலக்ட்ரான் நேர் அயனித் தன்மை கொண்ட ஹைட்ரஜன் அணுக்களுடன் பிணைந்துள்ளது.
- +4: கார்பன் டை ஆக்சைடு (\text{CO₂}) அல்லது கார்பன் டெட்ராகுளோரைடு (\text{CCl₄}) இல், கார்பன் அதிக எலக்ட்ரான் கவர்ச்சி கொண்ட ஆக்ஸிஜன் அல்லது குளோரின் அணுக்களுடன் பிணைந்துள்ளது.
- இடைநிலை: கரிம சேர்மங்களில், கார்பன் பல்வேறு இடைநிலை ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகளைக் கொண்டிருக்கலாம் (எ.கா., எத்தனால் \text{C₂H₅OH}).
பிணைப்பு நடத்தை
கார்பன் அதன் ஒப்பீட்டளவில் அதிக அயனியாக்கும் ஆற்றல் மற்றும் சிறிய அளவு காரணமாக முதன்மையாக சகப்பிணைப்புகளை உருவாக்குகிறது, இது C⁴⁺ அல்லது C⁴⁻ அயனிகளை உருவாக்க நான்கு எலக்ட்ரான்களை இழக்க அல்லது பெற கடினமாக்குகிறது.
சகப்பிணைப்பு
- கார்பன் அதன் நான்கு இணைதிறன் எலக்ட்ரான்களை மற்ற அணுக்களுடன் (கார்பன் அல்லது பிற தனிமங்கள்) பகிர்வதன் மூலம் ஒரு நிலையான ஆக்டெட்டை அடைகிறது.
- இது ஒற்றை, இரட்டை அல்லது முப்பிணைப்பு சகப்பிணைப்புகளை உருவாக்க வழிவகுக்கிறது.
கலப்பினமயமாக்கல்
கார்பனின் நான்கு பிணைப்புகளை உருவாக்கும் திறன் கலப்பினமயமாக்கலால் விளக்கப்படுகிறது, இது அணு ஆர்பிட்டால்கள் கலந்து புதிய சமமான கலப்பின ஆர்பிட்டால்களை உருவாக்குவதாகும்.
1. sp³ கலப்பினமயமாக்கல்
- உருவாக்கம்: ஒரு 2s ஆர்பிட்டால் மற்றும் மூன்று 2p ஆர்பிட்டால்கள் கலந்து நான்கு சமமான \text{sp³} கலப்பின ஆர்பிட்டால்களை உருவாக்குகின்றன.
- வடிவம்: நான்முகி.
- பிணைப்புக் கோணம்: தோராயமாக 109.5°.
- பிணைப்பு: நான்கு சிக்மா (\sigma) பிணைப்புகளை உருவாக்குகிறது. அனைத்து பிணைப்புகளும் ஒற்றை பிணைப்புகள்.
- எடுத்துக்காட்டுகள்: மீத்தேன் (\text{CH₄}), ஈத்தேன் (\text{C₂H₆}), வைரம்.
2. sp² கலப்பினமயமாக்கல்
- உருவாக்கம்: ஒரு 2s ஆர்பிட்டால் மற்றும் இரண்டு 2p ஆர்பிட்டால்கள் கலந்து மூன்று சமமான \text{sp²} கலப்பின ஆர்பிட்டால்களை உருவாக்குகின்றன. ஒரு 2p ஆர்பிட்டால் கலப்பினமடையாமல் உள்ளது.
- வடிவம்: முக்கோண தளவடிவம்.
- பிணைப்புக் கோணம்: தோராயமாக 120°.
- பிணைப்பு: \text{sp²} ஆர்பிட்டால்களைப் பயன்படுத்தி மூன்று சிக்மா (\sigma) பிணைப்புகளையும், கலப்பினமடையாத p ஆர்பிட்டாலைப் பயன்படுத்தி ஒரு பை (\pi) பிணைப்பையும் உருவாக்குகிறது. ஒரு இரட்டை பிணைப்பை உள்ளடக்கியது.
- எடுத்துக்காட்டுகள்: ஈத்தீன் (\text{C₂H₄}), பென்சீன் (\text{C₆H₆}), கிராஃபைட்.
3. sp கலப்பினமயமாக்கல்
- உருவாக்கம்: ஒரு 2s ஆர்பிட்டால் மற்றும் ஒரு 2p ஆர்பிட்டால் கலந்து இரண்டு சமமான \text{sp} கலப்பின ஆர்பிட்டால்களை உருவாக்குகின்றன. இரண்டு 2p ஆர்பிட்டால்கள் கலப்பினமடையாமல் உள்ளன.
- வடிவம்: நேரியல்.
- பிணைப்புக் கோணம்: 180°.
- பிணைப்பு: \text{sp} ஆர்பிட்டால்களைப் பயன்படுத்தி இரண்டு சிக்மா (\sigma) பிணைப்புகளையும், கலப்பினமடையாத இரண்டு p ஆர்பிட்டால்களைப் பயன்படுத்தி இரண்டு பை (\pi) பிணைப்புகளையும் உருவாக்குகிறது. ஒரு முப்பிணைப்பு அல்லது இரண்டு இரட்டை பிணைப்புகளை உள்ளடக்கியது.
- எடுத்துக்காட்டுகள்: ஈத்தைன் (\text{C₂H₂}), கார்பன் டை ஆக்சைடு (\text{CO₂}).
சங்கிலியாக்கம் (Catenation)
- வரையறை: கார்பன் அணுக்கள் மற்ற கார்பன் அணுக்களுடன் சகப்பிணைப்புகள் மூலம் நீண்ட சங்கிலிகள், கிளை சங்கிலிகள் மற்றும் வளைய அமைப்புகளை உருவாக்கும் தனித்துவமான திறன்.
- முக்கியத்துவம்: இந்த பண்பு கரிம சேர்மங்களின் பெரிய எண்ணிக்கை மற்றும் சிக்கலான தன்மைக்கு காரணமாகும்.
- காரணிகள்: கார்பன்-கார்பன் பிணைப்பின் வலிமை அதிகம், மற்றும் அதன் நான்கு இணைதிறன் பல்வேறு இணைப்புகளுக்கு அனுமதிக்கிறது.
புறவேற்றுமை
கார்பன் பல்வேறு புறவேற்றுமை வடிவங்களில் வெவ்வேறு பிணைப்பு அமைப்புகள் காரணமாக உள்ளது.
- வைரம்: ஒவ்வொரு கார்பன் அணுவும் \text{sp³} கலப்பினமாக்கப்பட்டு, நான்முகி வலைப்பின்னலை உருவாக்குகிறது. மிகவும் கடினமானது, மின் கடத்தாப்பொருள்.
- கிராஃபைட்: ஒவ்வொரு கார்பன் அணுவும் \text{sp²} கலப்பினமாக்கப்பட்டு, மெல்லிய அறுகோண அடுக்குகளை உருவாக்குகிறது, இவை பலவீனமான வான் டெர் வால்ஸ் விசைகளால் பிணைக்கப்பட்டுள்ளன. மென்மையானது, நல்ல மின் கடத்தி.
- ஃபுல்லரின்கள்: கோள அல்லது குழாய் வடிவ அமைப்புகள் (எ.கா., பக்மின்ஸ்டர்ஃபுல்லரின் \text{C₆₀}), கார்பன் அணுக்கள் \text{sp²} கலப்பினமாக்கப்பட்டு, மூடிய கூண்டு போன்ற அமைப்புகளை உருவாக்குகின்றன.
பிற பிணைப்பு வகைகள்
- அயனிப் பிணைப்பு: கார்பன் பொதுவாக அயனிப் பிணைப்புகளை உருவாக்குவதில்லை, ஏனெனில் நான்கு எலக்ட்ரான்களைப் பெறவோ அல்லது இழக்கவோ அதிக ஆற்றல் தேவைப்படுகிறது.
- உலோகப் பிணைப்பு: கார்பன் ஒரு அலோகம் மற்றும் உலோகப் பிணைப்பை வெளிப்படுத்துவதில்லை.
- ஈதல் சகப்பிணைப்பு: கார்பன் சில சிக்கலான கரிம மூலக்கூறுகளில் (எ.கா., ஐசோசயனைடுகள்) ஈதல் சகப்பிணைப்புகளில் பங்கேற்க முடியும் என்றாலும், இது தனிம கார்பன் அல்லது ஹைட்ரோகார்பன்கள் போன்ற எளிய கார்பன் சேர்மங்களுக்கு ஒரு முதன்மை பிணைப்பு வகையாகும்.