கார்பன் வேதியியல்: பயிற்சி கேள்விகள்

பல தேர்வு கேள்விகள் (MCQs)

கேள்வி 1

கார்பனின் புறவேற்றுமை வடிவங்கள் (allotropes) பற்றி பின்வரும் கூற்றுகளில் எது தவறானது?

A) வைரம் sp³ கலப்பின கார்பன் அணுக்களுடன் ஒரு 3D வலைப்பின்னல் அமைப்பைக் கொண்டுள்ளது. B) கிராஃபைட் sp² கலப்பின கார்பன் அணுக்களுடன் ஒரு அடுக்கடுக்கான அமைப்பைக் கொண்டுள்ளது. C) ஃபுல்லெரின்கள் ஐங்கோண மற்றும் அறுகோண கார்பன் வளையங்களைக் கொண்ட கூண்டு போன்ற மூலக்கூறுகள். D) கார்பன் நானோகுழாய்கள் கிராஃபீன் தாள்களை சுருட்டுவதன் மூலம் உருவாகும் 2D கட்டமைப்புகள்.

தீர்வு 1

சரியான பதில்: D

விளக்கம்: கார்பன் நானோகுழாய்கள் (Carbon nanotubes) என்பது ஒற்றை அல்லது பல கிராஃபீன் தாள்களை சுருட்டுவதன் மூலம் உருவாகும் ஒரு பரிமாண (1D) உருளை வடிவ கட்டமைப்புகள் ஆகும். கிராஃபீன் ஒரு 2D பொருள் என்றாலும், அதிலிருந்து பெறப்படும் நானோகுழாய்கள் அவற்றின் அச்சு வழியாக 1D ஆகும். மற்ற கூற்றுகள் (A, B, C) வைரம், கிராஃபைட் மற்றும் ஃபுல்லெரின்களின் கட்டமைப்புகளை சரியாக விவரிக்கின்றன.

கேள்வி 2

கார்பன் மோனாக்சைடு (CO) பற்றி பின்வருவனவற்றில் எது உண்மை?

A) இது ஒரு அமில ஆக்சைடு. B) இது ஒரு வலிமையான ஆக்ஸிஜனேற்ற காரணி. C) ஹீமோகுளோபின் மீதான அதன் பிணைப்பு நாட்டம் காரணமாக இது மிகவும் நச்சுத்தன்மை வாய்ந்தது. D) இது ஈரமான நீல லிட்மஸை சிவப்பாக மாற்றுகிறது.

தீர்வு 2

சரியான பதில்: C

விளக்கம்: கார்பன் மோனாக்சைடு (CO) ஒரு மிகவும் நச்சுத்தன்மை வாய்ந்த வாயு ஆகும். இது இரத்த சிவப்பணுக்களில் உள்ள ஹீமோகுளோபினில் உள்ள இரும்புடன் ஆக்ஸிஜனை விட சுமார் 200-250 மடங்கு வலிமையாக பிணைகிறது, கார்பாக்ஸிஹீமோகுளோபினை உருவாக்குகிறது. இந்த நிலையான பிணைப்பு இரத்தத்தின் ஆக்ஸிஜனை எடுத்துச்செல்லும் திறனைக் குறைக்கிறது, இது திசுக்களில் ஆக்ஸிஜன் பற்றாக்குறைக்கு வழிவகுக்கிறது மற்றும் மரணத்தை ஏற்படுத்தலாம்.

• CO ஒரு நடுநிலை ஆக்சைடு, அமிலத்தன்மை கொண்டது அல்ல (A தவறு).
• CO ஒரு வலிமையான ஒடுக்கும் காரணி, ஆக்ஸிஜனேற்ற காரணி அல்ல (B தவறு).
• ஒரு நடுநிலை ஆக்சைடு என்பதால், இது லிட்மஸ் தாளின் நிறத்தை மாற்றுவதில்லை (D தவறு).

கேள்வி 3

கார்பன் கால்சியம் (Ca) அல்லது அலுமினியம் (Al) போன்ற அதிக எலக்ட்ரான் கவர்ச்சி கொண்ட தனிமங்களுடன் வினைபுரியும் போது பொதுவாக எந்த வகையான கார்பைடு உருவாகிறது?

A) சகப்பிணைப்பு கார்பைடுகள் (Covalent carbides) B) இடையீட்டு கார்பைடுகள் (Interstitial carbides) C) அயனி கார்பைடுகள் (Ionic carbides) D) பாலிமெரிக் கார்பைடுகள் (Polymeric carbides)

தீர்வு 3

சரியான பதில்: C

விளக்கம்: அதிக எலக்ட்ரான் கவர்ச்சி கொண்ட தனிமங்கள், குறிப்பாக தொகுதி 1 (கார உலோகங்கள்), தொகுதி 2 (காரமண் உலோகங்கள்) மற்றும் தொகுதி 13 (அலுமினியம் போன்றவை), அயனி கார்பைடுகளை உருவாக்குகின்றன. இந்த கார்பைடுகளில் C₂²⁻ (அசெட்டிலைடு அயனி, எ.கா., CaC₂) அல்லது C⁴⁻ (மெத்தனாய்டு அயனி, எ.கா., Al₄C₃) போன்ற தனித்த கார்பைடு அயனிகள் உள்ளன. நீராற்பகுப்பின் போது, அசெட்டிலைடுகள் அசெட்டிலீனையும், மெத்தனாய்டுகள் மீத்தேன் வாயுவையும் உற்பத்தி செய்கின்றன.

• சகப்பிணைப்பு கார்பைடுகள் (எ.கா., SiC, B₄C) ஒத்த எலக்ட்ரான் கவர்ச்சி கொண்ட தனிமங்களுடன் உருவாகின்றன.
• இடையீட்டு கார்பைடுகள் (எ.கா., Fe₃C, WC) இடைநிலை உலோகங்களுடன் உருவாகின்றன, அங்கு கார்பன் அணுக்கள் உலோக லேட்டிஸில் உள்ள இடையீட்டு தளங்களை ஆக்கிரமிக்கின்றன.

கூற்று-காரணம் கேள்விகள்

கேள்வி 1

கூற்று (A): கிராஃபைட் ஒரு சிறந்த மின்சார கடத்தி, ஆனால் வைரம் ஒரு மின் காப்புப்பொருள். காரணம் (R): கிராஃபைட்டில், ஒவ்வொரு கார்பன் அணுவும் sp² கலப்பினமடைந்துள்ளது, மேலும் ஒரு இணைதிறன் எலக்ட்ரான் பரவலாக்கப்பட்டு, ஒரு நகரும் எலக்ட்ரான் மேகத்தை உருவாக்குகிறது. வைரத்தில், ஒவ்வொரு கார்பன் அணுவும் sp³ கலப்பினமடைந்துள்ளது, மேலும் அனைத்து இணைதிறன் எலக்ட்ரான்களும் சிக்மா பிணைப்புகளில் ஈடுபட்டுள்ளன.

A) A மற்றும் R இரண்டும் உண்மை, மேலும் R என்பது A இன் சரியான விளக்கம். B) A மற்றும் R இரண்டும் உண்மை, ஆனால் R என்பது A இன் சரியான விளக்கம் அல்ல. C) A உண்மை, ஆனால் R தவறு. D) A தவறு, ஆனால் R உண்மை. E) A மற்றும் R இரண்டும் தவறு.

தீர்வு 1

சரியான பதில்: A

விளக்கம்: கூற்று (A) உண்மை. கிராஃபைட்டின் அடுக்கடுக்கான அமைப்பு மின்சாரத்தை கடத்த அனுமதிக்கிறது, அதேசமயம் வைரத்தின் கடினமான சகப்பிணைப்பு வலைப்பின்னல் அதை ஒரு காப்புப்பொருளாக ஆக்குகிறது. காரணம் (R) உண்மை மற்றும் கூற்றை சரியாக விளக்குகிறது. கிராஃபைட்டில், ஒவ்வொரு கார்பன் அணுவும் sp² கலப்பினமடைந்து, அதே தளத்தில் உள்ள மற்ற மூன்று கார்பன் அணுக்களுடன் பிணைக்கப்பட்டு, அடுக்குக்கு செங்குத்தாக ஒரு கலப்பினமடையாத p-ஆர்பிட்டாலை விட்டுச்செல்கிறது. இந்த p-ஆர்பிட்டால்கள் ஒன்றிணைந்து ஒரு பரவலாக்கப்பட்ட எலக்ட்ரான் மேகத்தை உருவாக்குகின்றன, இது எலக்ட்ரான்களை சுதந்திரமாக நகர அனுமதிக்கிறது, இதனால் கிராஃபைட் ஒரு சிறந்த கடத்தியாகிறது. வைரத்தில், ஒவ்வொரு கார்பன் அணுவும் sp³ கலப்பினமடைந்து, நாற்கர அமைப்பில் மற்ற நான்கு கார்பன் அணுக்களுடன் பிணைக்கப்பட்டுள்ளது. அனைத்து இணைதிறன் எலக்ட்ரான்களும் வலுவான சிக்மா பிணைப்புகளில் இறுக்கமாகப் பிடிக்கப்பட்டுள்ளன, கடத்துதலுக்கு எந்த இலவச எலக்ட்ரான்களும் இல்லை, எனவே இது ஒரு காப்புப்பொருளாக செயல்படுகிறது.

கேள்வி 2

கூற்று (A): கார்பன் மோனாக்சைடு மிகவும் நச்சுத்தன்மை வாய்ந்தது. காரணம் (R): கார்பன் மோனாக்சைடு ஹீமோகுளோபினுடன் ஒரு நிலையான அணைமத்தை உருவாக்குகிறது, இது கார்பாக்ஸிஹீமோகுளோபின் என்று அழைக்கப்படுகிறது, இது ஆக்ஸிஹீமோகுளோபினை விட சுமார் 200-250 மடங்கு அதிக நிலைப்புத்தன்மை கொண்டது.

A) A மற்றும் R இரண்டும் உண்மை, மேலும் R என்பது A இன் சரியான விளக்கம். B) A மற்றும் R இரண்டும் உண்மை, ஆனால் R என்பது A இன் சரியான விளக்கம் அல்ல. C) A உண்மை, ஆனால் R தவறு. D) A தவறு, ஆனால் R உண்மை. E) A மற்றும் R இரண்டும் தவறு.

தீர்வு 2

சரியான பதில்: A

விளக்கம்: கூற்று (A) உண்மை. கார்பன் மோனாக்சைடு ஒரு மிகவும் நச்சுத்தன்மை வாய்ந்த வாயு என்பதில் சந்தேகமில்லை. காரணம் (R) உண்மை மற்றும் அதன் நச்சுத்தன்மைக்கான சரியான விளக்கத்தை அளிக்கிறது. CO ஆனது ஹீமோகுளோபினில் உள்ள ஹீம் இரும்புடன் ஆக்ஸிஜனை விட மிக அதிக பிணைப்பு நாட்டத்தைக் கொண்டுள்ளது. CO ஹீமோகுளோபினுடன் பிணைக்கும்போது, அது கார்பாக்ஸிஹீமோகுளோபினை உருவாக்குகிறது, இது ஆக்ஸிஹீமோகுளோபினை விட கணிசமாக அதிக நிலைப்புத்தன்மை கொண்டது. இது ஹீமோகுளோபின் உடலின் திசுக்களுக்கு ஆக்ஸிஜனை எடுத்துச் செல்வதைத் தடுக்கிறது, இது உயிரணுக்களுக்கு ஆக்ஸிஜன் குறைபாடு மற்றும் மரணத்தை ஏற்படுத்தலாம்.

சிறுகுறிப்பு கேள்விகள்

கேள்வி 1

தொகுதி 14 தனிமங்களில் கார்பன் ஏன் அதிக சங்கிலித்தொடராக்க (catenation) தன்மையைக் கொண்டுள்ளது என்பதை விளக்குக.

மாதிரி பதில் 1

சங்கிலித்தொடராக்கம் (Catenation) என்பது ஒரு தனிமம் அதன் சொந்த அணுக்களுடன் பிணைப்புகளை உருவாக்கி, நீண்ட சங்கிலிகள் அல்லது வளையங்களை உருவாக்கும் திறனைக் குறிக்கிறது. கார்பன் அதிக சங்கிலித்தொடராக்கத் திறனைக் கொண்டிருப்பதற்கான காரணங்கள் பின்வருமாறு:

1. சிறிய அளவு: கார்பன் அணுக்கள் ஒப்பீட்டளவில் சிறியவை, இதனால் அவை மற்ற கார்பன் அணுக்களுடன் வலிமையான, நிலையான சகப்பிணைப்புகளை எந்த குறிப்பிடத்தக்க ஸ்டெரிக் விரட்டலும் இல்லாமல் உருவாக்க அனுமதிக்கிறது.
2. அதிக C-C பிணைப்பு ஆற்றல்: கார்பன்-கார்பன் ஒற்றை பிணைப்பு (C-C) மிகவும் வலிமையானது (பிணைப்பு ஆற்றல் ≈ 348 kJ/mol), இது சங்கிலிகளையும் வளையங்களையும் நிலையானதாக ஆக்குகிறது. தொகுதி 14 இல் கீழே செல்லும்போது (Si, Ge, Sn, Pb), அணு அளவு அதிகரிக்கிறது, மேலும் E-E (தனிமம்-தனிமம்) பிணைப்பு வலிமை கணிசமாகக் குறைகிறது (எ.கா., Si-Si பிணைப்பு ஆற்றல் ≈ 222 kJ/mol). இந்த பலவீனமான பிணைப்பு வலிமை கனமான தனிமங்களுக்கு சங்கிலித்தொடர் கட்டமைப்புகளை குறைவான நிலையானதாக ஆக்குகிறது.
3. பல பிணைப்புகளை உருவாக்கும் திறன்: கார்பன் தனக்குள்ளேயும் மற்ற தனிமங்களுடனும் நிலையான ஒற்றை (C-C), இரட்டை (C=C), மற்றும் முப்பிணைப்புகளை (C≡C) உருவாக்க முடியும். இந்த பன்முகத்தன்மை ஒரு பரந்த அளவிலான நிலையான சங்கிலித்தொடர் கட்டமைப்புகள் மற்றும் மாற்றியங்களை (isomers) அனுமதிக்கிறது. தொகுதி 14 இல் உள்ள கனமான தனிமங்கள் பெரிய அளவு மற்றும் அதிக பரவலாக்கப்பட்ட p-ஆர்பிட்டால்கள் காரணமாக நிலையான பல பிணைப்புகளை உருவாக்கும் திறனை மிகக் குறைவாகவே காட்டுகின்றன, இது pπ-pπ ஒன்றிணைவுக்கு (overlap) வழிவகுக்காது.

கேள்வி 2

கார்பன் டை ஆக்சைடின் (CO₂) அமைப்பு மற்றும் பிணைப்பை விவரிக்கவும்.

மாதிரி பதில் 2

கார்பன் டை ஆக்சைடு (CO₂) ஒரு தனித்துவமான அமைப்பு மற்றும் பிணைப்பைக் கொண்ட ஒரு எளிய மூலக்கூறு சேர்மம்:

1. கலப்பினமாக்கம் (Hybridization): CO₂ இல் உள்ள மத்திய கார்பன் அணு sp கலப்பினமடைந்துள்ளது. இது இரண்டு சிக்மா (σ) பிணைப்புகளையும் இரண்டு பை (π) பிணைப்புகளையும் உருவாக்குகிறது.
2. பிணைப்பு (Bonding):
   • கார்பன் அணு இரண்டு C=O இரட்டைப் பிணைப்புகளை உருவாக்குகிறது, ஒவ்வொரு ஆக்ஸிஜன் அணுவுடனும் ஒன்று.
   • ஒவ்வொரு C=O இரட்டைப் பிணைப்பும் கார்பனின் sp கலப்பின ஆர்பிட்டால் ஆக்ஸிஜனின் p ஆர்பிட்டாலுடன் ஒன்றிணைந்து ஒரு சிக்மா (σ) பிணைப்பையும், கார்பனின் கலப்பினமடையாத p ஆர்பிட்டால் ஆக்ஸிஜனின் மற்றொரு p ஆர்பிட்டாலுடன் பக்கவாட்டு ஒன்றிணைவு மூலம் ஒரு பை (π) பிணைப்பையும் கொண்டுள்ளது.
3. வடிவியல் (Geometry): sp கலப்பினமாக்கம் காரணமாக, மூலக்கூறு 180° பிணைப்பு கோணத்துடன் நேரியல் வடிவியலைக் கொண்டுள்ளது.
4. முனைவுத்தன்மை (Polarity): கார்பன் மற்றும் ஆக்ஸிஜனுக்கு இடையிலான எலக்ட்ரான் கவர்ச்சி வேறுபாடு காரணமாக C=O பிணைப்புகள் முனைவுத்தன்மை கொண்டதாக இருந்தாலும், இரண்டு C=O இருமுனை திருப்புவிசைகளின் நேரியல் சீரான அமைப்பு அவற்றின் ரத்துசெய்தலுக்கு வழிவகுக்கிறது. எனவே, CO₂ மூலக்கூறு ஒட்டுமொத்தமாக முனைவுத்தன்மை அற்றது.
5. இயற்பியல் நிலை: அறை வெப்பநிலை மற்றும் அழுத்தத்தில், CO₂ ஒரு வாயு. அதன் திட நிலையில் (உலர் பனிக்கட்டி), இது பலவீனமான மூலக்கூறிடை விசைகளால் (லண்டன் பரவல் விசைகள்) பிணைக்கப்பட்ட ஒரு மூலக்கூறு திண்மம் ஆகும்.

உயர் சிந்தனை திறன் (HOTS) கேள்வி

கேள்வி 1

கார்பன் டை ஆக்சைடு (CO₂) அறை வெப்பநிலையில் ஏன் ஒரு வாயுவாக உள்ளது, ஆனால் சிலிக்கான் டை ஆக்சைடு (SiO₂) ஒரு கடினமான, அதிக உருகுநிலை கொண்ட திடப்பொருளாக உள்ளது? அவற்றின் பிணைப்பு மற்றும் அமைப்பில் உள்ள அடிப்படை வேறுபாடுகளை விளக்குக.

மாதிரி பதில் 1

CO₂ மற்றும் SiO₂ இன் இயற்பியல் நிலைகளில் உள்ள தெளிவான வேறுபாடு (CO₂ ஒரு வாயுவாக, SiO₂ ஒரு கடினமான திண்மமாக) அவற்றின் பிணைப்பு மற்றும் மூலக்கூறு கட்டமைப்புகளில் உள்ள அடிப்படை வேறுபாடுகளிலிருந்து எழுகிறது.

1. கார்பன் டை ஆக்சைடு (CO₂):

   • அமைப்பு: CO₂ தனித்த, எளிய மூன்று அணுக்களைக் கொண்ட மூலக்கூறுகளாக (O=C=O) உள்ளது. மத்திய கார்பன் அணு sp கலப்பினத்துடன் இரண்டு C=O இரட்டைப் பிணைப்புகளை உருவாக்குகிறது, இதன் விளைவாக ஒரு நேரியல் வடிவியல் உருவாகிறது.
   • பிணைப்பு: ஒவ்வொரு CO₂ மூலக்கூறிற்குள்ளும், கார்பன் மற்றும் ஆக்ஸிஜனுக்கு இடையில் வலிமையான சகப்பிணைப்புகள் உள்ளன. இருப்பினும், திட அல்லது திரவ நிலையில் உள்ள தனிப்பட்ட CO₂ மூலக்கூறுகள் பலவீனமான மூலக்கூறிடை விசைகளால், குறிப்பாக லண்டன் பரவல் விசைகளால் (வான் டெர் வால்ஸ் விசைகள்) மட்டுமே ஒன்றாகப் பிணைக்கப்பட்டுள்ளன.
   • விளைவு: இந்த பலவீனமான மூலக்கூறிடை விசைகளை கடக்க மிகக் குறைவான ஆற்றலே தேவைப்படுகிறது. எனவே, CO₂ மிகக் குறைந்த உருகுநிலையைக் கொண்டுள்ளது (-56.6 °C 5.1 atm இல், -78.5 °C 1 atm இல் பதங்கமாகிறது) மற்றும் அறை வெப்பநிலையில் ஒரு வாயுவாக உள்ளது.

2. சிலிக்கான் டை ஆக்சைடு (SiO₂):

   • அமைப்பு: SiO₂ CO₂ போன்ற தனித்த மூலக்கூறுகளாக இருப்பதில்லை. மாறாக, இது ஒரு ராட்சத சகப்பிணைப்பு வலைப்பின்னல் கட்டமைப்பை (macromolecular structure), வைரத்தைப் போலவே உருவாக்குகிறது. இந்த கட்டமைப்பில், ஒவ்வொரு சிலிக்கான் அணுவும் நான்கு ஆக்ஸிஜன் அணுக்களுடன் நாற்கர வடிவில் பிணைக்கப்பட்டு, ஒவ்வொரு ஆக்ஸிஜன் அணுவும் இரண்டு சிலிக்கான் அணுக்களை இணைக்கிறது. இது வலிமையான சகப்பிணைப்பு Si-O-Si பிணைப்புகளின் தொடர்ச்சியான 3D வலைப்பின்னலுக்கு வழிவகுக்கிறது.
   • பிணைப்பு: SiO₂ இன் முழு படிகமும் முழு வலைப்பின்னல் முழுவதும் பரவியுள்ள வலிமையான சகப்பிணைப்பு ஒற்றை பிணைப்புகளின் பரந்த வலைப்பின்னலால் ஒன்றாகப் பிணைக்கப்பட்டுள்ளது. கார்பனை விட பெரியதாக இருப்பதால், சிலிக்கான் Si=O இரட்டைப் பிணைப்புகளை விட நான்கு வலிமையான Si-O ஒற்றை பிணைப்புகளை உருவாக்க விரும்புகிறது. pπ-pπ இரட்டைப் பிணைப்புகளின் (Si=O) உருவாக்கம் சிலிக்கானுக்கு உகந்ததல்ல, ஏனெனில் அதன் 3p ஆர்பிட்டால்களின் பெரிய அளவு, ஆக்ஸிஜனின் 2p ஆர்பிட்டால்களுடன் பயனுள்ள பக்கவாட்டு ஒன்றிணைவுக்கு மிகவும் பரவலாக உள்ளன.
   • விளைவு: SiO₂ ஐ உருக்க அல்லது கொதிக்க வைக்க, இந்த பரந்த மற்றும் வலிமையான சகப்பிணைப்புகளை முழு வலைப்பின்னலிலும் உடைக்க அதிக அளவு ஆற்றல் தேவைப்படுகிறது. எனவே, SiO₂ அறை வெப்பநிலையில் ஒரு கடினமான, அதிக உருகுநிலை கொண்ட திடப்பொருளாக (உருகுநிலை ≈ 1710 °C) உள்ளது.

சுருக்கமாக, முக்கிய வேறுபாடு கார்பனின் நிலையான pπ-pπ பல பிணைப்புகளை (C=O) உருவாக்கும் திறனில் உள்ளது, இது தனித்த மூலக்கூறு அலகுகளுக்கு வழிவகுக்கிறது, அதேசமயம் சிலிக்கான் வலிமையான σ பிணைப்புகளை உருவாக்குவதற்கும் ஆக்ஸிஜனுடன் நிலையான pπ-pπ பல பிணைப்புகளை உருவாக்க இயலாமைக்கும் முன்னுரிமை அளிப்பதால், ஒரு விரிவான ராட்சத சகப்பிணைப்பு வலைப்பின்னல் கட்டமைப்பிற்கு வழிவகுக்கிறது.