కార్బన్ రసాయన శాస్త్రం: అభ్యాస ప్రశ్నలు

బహుళైచ్ఛిక ప్రశ్నలు (MCQs)

ప్రశ్న 1

కార్బన్ యొక్క అల్లోట్రోప్‌ల గురించి కిందివాటిలో ఏది తప్పు?

A) డైమండ్‌లో sp³ సంకరీకరణ చెందిన కార్బన్ పరమాణువులతో 3D నెట్‌వర్క్ నిర్మాణం ఉంటుంది. B) గ్రాఫైట్‌కు sp² సంకరీకరణ చెందిన కార్బన్ పరమాణువులతో పొరల నిర్మాణం ఉంటుంది. C) ఫుల్లెరెన్‌లు పంచభుజి మరియు షడ్భుజి కార్బన్ వలయాలతో బోనుల వంటి అణువులు. D) కార్బన్ నానోట్యూబ్‌లు గ్రాఫేన్ షీట్‌లను చుట్టడం ద్వారా ఏర్పడిన 2D నిర్మాణాలు.

పరిష్కారం 1

సరైన సమాధానం: D

వివరణ: కార్బన్ నానోట్యూబ్‌లు గ్రాఫేన్ యొక్క ఒకే లేదా బహుళ షీట్‌లను చుట్టడం ద్వారా ఏర్పడిన ఏక-పరామితీయ (1D) స్థూపాకార నిర్మాణాలు. గ్రాఫేన్ అనేది 2D పదార్థం, అయితే దాని నుండి ఉద్భవించిన నానోట్యూబ్‌లు వాటి అక్షం వెంట అంతర్గతంగా 1Dగా ఉంటాయి. ఇతర ప్రకటనలు (A, B, C) వరుసగా డైమండ్, గ్రాఫైట్ మరియు ఫుల్లెరెన్‌ల నిర్మాణాలను ఖచ్చితంగా వివరిస్తాయి.

ప్రశ్న 2

కార్బన్ మోనాక్సైడ్ (CO) గురించి కిందివాటిలో ఏది నిజం?

A) ఇది ఆమ్ల ఆక్సైడ్. B) ఇది బలమైన ఆక్సీకరణ కారకం. C) హిమోగ్లోబిన్ పట్ల దాని అనుబంధం కారణంగా ఇది అత్యంత విషపూరితమైనది. D) ఇది తేమతో కూడిన నీలి లిట్మస్‌ను ఎరుపు రంగులోకి మారుస్తుంది.

పరిష్కారం 2

సరైన సమాధానం: C

వివరణ: కార్బన్ మోనాక్సైడ్ (CO) అత్యంత విషపూరితమైన వాయువు. ఇది ఎర్ర రక్త కణాలలో హిమోగ్లోబిన్‌లోని ఇనుముకు ఆక్సిజన్ కంటే సుమారు 200-250 రెట్లు బలంగా బంధిస్తుంది, కార్బాక్సీహిమోగ్లోబిన్‌ను ఏర్పరుస్తుంది. ఈ స్థిరమైన సమ్మేళనం రక్తం యొక్క ఆక్సిజన్-రవాణా సామర్థ్యాన్ని తగ్గిస్తుంది, కణజాలాలలో ఆక్సిజన్ లేమికి మరియు ప్రాణాపాయానికి దారితీస్తుంది.

• CO ఒక తటస్థ ఆక్సైడ్, ఆమ్ల ఆక్సైడ్ కాదు (A తప్పు).
• CO ఒక బలమైన క్షయకరణ కారకం, ఆక్సీకరణ కారకం కాదు (B తప్పు).
• తటస్థ ఆక్సైడ్ కావడం వల్ల, ఇది లిట్మస్ పేపర్ రంగును మార్చదు (D తప్పు).

ప్రశ్న 3

కార్బన్, కాల్షియం (Ca) లేదా అల్యూమినియం (Al) వంటి అత్యంత ఎలక్ట్రోపోజిటివ్ మూలకాలతో చర్య జరిపినప్పుడు సాధారణంగా ఏ రకమైన కార్బైడ్ ఏర్పడుతుంది?

A) సమయోజనీయ కార్బైడ్‌లు B) అంతరప్రదేశ కార్బైడ్‌లు C) అయానిక కార్బైడ్‌లు D) పాలిమెరిక్ కార్బైడ్‌లు

పరిష్కారం 3

సరైన సమాధానం: C

వివరణ: అత్యంత ఎలక్ట్రోపోజిటివ్ మూలకాలు, ముఖ్యంగా గ్రూప్ 1 (క్షార లోహాలు), గ్రూప్ 2 (క్షార మృత్తిక లోహాలు) మరియు గ్రూప్ 13 (అల్యూమినియం వంటివి) అయానిక కార్బైడ్‌లను ఏర్పరుస్తాయి. ఈ కార్బైడ్‌లలో C₂²⁻ (ఎసిటలైడ్ అయాన్, ఉదాహరణకు, CaC₂) లేదా C⁴⁻ (మీథనైడ్ అయాన్, ఉదాహరణకు, Al₄C₃) వంటి వివిక్త కార్బైడ్ అయాన్‌లు ఉంటాయి. జల విశ్లేషణపై, ఎసిటలైడ్‌లు ఎసిటిలీన్‌ను మరియు మీథనైడ్‌లు మీథేన్‌ను ఉత్పత్తి చేస్తాయి.

• సమయోజనీయ కార్బైడ్‌లు (ఉదాహరణకు, SiC, B₄C) సారూప్య ఎలక్ట్రోనెగటివిటీ ఉన్న మూలకాలతో ఏర్పడతాయి.
• అంతరప్రదేశ కార్బైడ్‌లు (ఉదాహరణకు, Fe₃C, WC) పరివర్తన లోహాలతో ఏర్పడతాయి, ఇక్కడ కార్బన్ పరమాణువులు లోహపు లాటిస్‌లోని అంతరప్రదేశ స్థానాలను ఆక్రమిస్తాయి.

ప్రతిపాదన-కారణ ప్రశ్నలు

ప్రశ్న 1

ప్రతిపాదన (A): గ్రాఫైట్ విద్యుత్‌కు మంచి వాహకం, అయితే డైమండ్ విద్యుత్ అవాహకం. కారణం (R): గ్రాఫైట్‌లో, ప్రతి కార్బన్ పరమాణువు sp² సంకరీకరణ చెంది ఉంటుంది మరియు ఒక వేలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్ స్థానీకరణం చెంది, చలించే ఎలక్ట్రాన్ మేఘాన్ని ఏర్పరుస్తుంది. డైమండ్‌లో, ప్రతి కార్బన్ పరమాణువు sp³ సంకరీకరణ చెంది ఉంటుంది మరియు అన్ని వేలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్‌లు సిగ్మా బంధాలలో పాల్గొంటాయి.

A) A మరియు R రెండూ నిజం, మరియు R అనేది Aకి సరైన వివరణ. B) A మరియు R రెండూ నిజం, కానీ R అనేది Aకి సరైన వివరణ కాదు. C) A నిజం, కానీ R తప్పు. D) A తప్పు, కానీ R నిజం. E) A మరియు R రెండూ తప్పు.

పరిష్కారం 1

సరైన సమాధానం: A

వివరణ: ప్రతిపాదన (A) నిజం. గ్రాఫైట్ పొరల నిర్మాణం విద్యుత్‌ను ప్రసరింపజేయడానికి అనుమతిస్తుంది, అయితే డైమండ్ యొక్క దృఢమైన సమయోజనీయ నెట్‌వర్క్ దానిని అవాహకంగా చేస్తుంది. కారణం (R) కూడా నిజం మరియు ప్రతిపాదనను సరిగ్గా వివరిస్తుంది. గ్రాఫైట్‌లో, ప్రతి కార్బన్ పరమాణువు sp² సంకరీకరణ చెంది, అదే తలంలో ఉన్న మూడు ఇతర కార్బన్ పరమాణువులకు బంధించబడి ఉంటుంది, ఒక సంకరీకరణ చెందని p-ఆర్బిటాల్ పొరలకు లంబంగా ఉంటుంది. ఈ p-ఆర్బిటాల్స్ అతివ్యాపనం చెంది స్థానీకరణం చెందని ఎలక్ట్రాన్ మేఘాన్ని ఏర్పరుస్తాయి, ఇది ఎలక్ట్రాన్‌లను స్వేచ్ఛగా కదలడానికి అనుమతిస్తుంది, తద్వారా గ్రాఫైట్‌ను మంచి వాహకంగా చేస్తుంది. డైమండ్‌లో, ప్రతి కార్బన్ పరమాణువు sp³ సంకరీకరణ చెంది, టెట్రాహెడ్రల్ అమరికలో ఉన్న నాలుగు ఇతర కార్బన్ పరమాణువులకు బంధించబడి ఉంటుంది. అన్ని వేలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్‌లు బలమైన సిగ్మా బంధాలలో గట్టిగా బంధించబడి ఉంటాయి, ప్రసరణకు స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్‌లు అందుబాటులో ఉండవు, అందుకే ఇది అవాహకంగా పనిచేస్తుంది.

ప్రశ్న 2

ప్రతిపాదన (A): కార్బన్ మోనాక్సైడ్ అత్యంత విషపూరితమైనది. కారణం (R): కార్బన్ మోనాక్సైడ్ హిమోగ్లోబిన్‌తో స్థిరమైన సమ్మేళనాన్ని ఏర్పరుస్తుంది, దీనిని కార్బాక్సీహిమోగ్లోబిన్ అంటారు, ఇది ఆక్సీహిమోగ్లోబిన్ కంటే సుమారు 200-250 రెట్లు స్థిరంగా ఉంటుంది.

A) A మరియు R రెండూ నిజం, మరియు R అనేది Aకి సరైన వివరణ. B) A మరియు R రెండూ నిజం, కానీ R అనేది Aకి సరైన వివరణ కాదు. C) A నిజం, కానీ R తప్పు. D) A తప్పు, కానీ R నిజం. E) A మరియు R రెండూ తప్పు.

పరిష్కారం 2

సరైన సమాధానం: A

వివరణ: ప్రతిపాదన (A) నిజం. కార్బన్ మోనాక్సైడ్ నిజంగా అత్యంత విషపూరితమైన వాయువు. కారణం (R) కూడా నిజం మరియు దాని విషపూరిత స్వభావానికి సరైన వివరణను అందిస్తుంది. CO హిమోగ్లోబిన్‌లోని హీమ్ ఇనుము పట్ల ఆక్సిజన్ కంటే చాలా బలమైన అనుబంధాన్ని కలిగి ఉంటుంది. CO హిమోగ్లోబిన్‌కు బంధించినప్పుడు, అది కార్బాక్సీహిమోగ్లోబిన్‌ను ఏర్పరుస్తుంది, ఇది ఆక్సీహిమోగ్లోబిన్ కంటే గణనీయంగా స్థిరంగా ఉంటుంది. ఇది హిమోగ్లోబిన్ శరీర కణజాలాలకు ఆక్సిజన్‌ను రవాణా చేయకుండా నిరోధిస్తుంది, దీనివల్ల కణ హైపోక్సియా మరియు ప్రాణాపాయం సంభవించవచ్చు.

సంక్షిప్త సమాధాన ప్రశ్నలు

ప్రశ్న 1

కార్బన్, గ్రూప్ 14 మూలకాలలో కాటనేషన్‌కు గరిష్ట ధోరణిని ఎందుకు ప్రదర్శిస్తుందో వివరించండి.

నమూనా సమాధానం 1

కాటనేషన్ అనేది ఒక మూలకం తన అణువులతో బంధాలను ఏర్పరచుకునే సామర్థ్యం, దీని ద్వారా పొడవైన గొలుసులు లేదా వలయాలు ఏర్పడతాయి. కార్బన్ కింది కారణాల వల్ల కాటనేషన్‌కు గరిష్ట ధోరణిని ప్రదర్శిస్తుంది:

1. చిన్న పరిమాణం: కార్బన్ పరమాణువులు సాపేక్షంగా చిన్నవి, ఇవి ఇతర కార్బన్ పరమాణువులతో బలమైన, స్థిరమైన సమయోజనీయ బంధాలను గణనీయమైన స్టెరిక్ వికర్షణ లేకుండా ఏర్పరచడానికి అనుమతిస్తాయి.
2. అధిక C-C బంధ శక్తి: కార్బన్-కార్బన్ ఏక బంధం (C-C) చాలా బలంగా ఉంటుంది (బంధ శక్తి ≈ 348 kJ/mol), ఇది గొలుసులు మరియు వలయాలను స్థిరంగా చేస్తుంది. మనం గ్రూప్ 14 (Si, Ge, Sn, Pb) కిందకు వెళ్ళే కొద్దీ, పరమాణు పరిమాణం పెరుగుతుంది మరియు E-E (మూలకం-మూలకం) బంధ బలం గణనీయంగా తగ్గుతుంది (ఉదాహరణకు, Si-Si బంధ శక్తి ≈ 222 kJ/mol). ఈ బలహీనమైన బంధ బలం బరువైన మూలకాలకు కాటనేటెడ్ నిర్మాణాలను తక్కువ స్థిరంగా చేస్తుంది.
3. బహుళ బంధాలను ఏర్పరచుకునే సామర్థ్యం: కార్బన్ తనతో మరియు ఇతర మూలకాలతో స్థిరమైన ఏక (C-C), ద్వి (C=C), మరియు త్రి (C≡C) బంధాలను ఏర్పరచగలదు. ఈ బహుముఖ ప్రజ్ఞ స్థిరమైన కాటనేటెడ్ నిర్మాణాలు మరియు ఐసోమర్‌ల యొక్క విస్తృత శ్రేణిని అనుమతిస్తుంది. గ్రూప్ 14లోని బరువైన మూలకాలు పెద్ద పరిమాణం మరియు మరింత విసరణ చెందిన p-ఆర్బిటాల్‌ల కారణంగా స్థిరమైన బహుళ బంధాలను ఏర్పరచుకోవడానికి చాలా తక్కువ ధోరణిని చూపుతాయి, ఇది పేలవమైన p\pi-p\pi అతివ్యాపనానికి దారితీస్తుంది.

ప్రశ్న 2

కార్బన్ డయాక్సైడ్ (CO₂) లోని నిర్మాణం మరియు బంధాన్ని వివరించండి.

నమూనా సమాధానం 2

కార్బన్ డయాక్సైడ్ (CO₂) అనేది విలక్షణమైన నిర్మాణం మరియు బంధాన్ని కలిగి ఉన్న ఒక సాధారణ అణు సమ్మేళనం:

1. సంకరీకరణ: CO₂ లోని కేంద్ర కార్బన్ పరమాణువు sp సంకరీకరణ చెంది ఉంటుంది. ఇది రెండు సిగ్మా (\sigma) బంధాలను మరియు రెండు పై (\pi) బంధాలను ఏర్పరుస్తుంది.
2. బంధం:
   • కార్బన్ పరమాణువు రెండు C=O ద్వి బంధాలను ఏర్పరుస్తుంది, ప్రతి ఆక్సిజన్ పరమాణువుతో ఒకటి.
   • ప్రతి C=O ద్వి బంధం కార్బన్ యొక్క sp సంకరీకరణ చెందిన ఆర్బిటాల్ ఆక్సిజన్ యొక్క p ఆర్బిటాల్‌తో అతివ్యాపనం చెందడం ద్వారా ఏర్పడిన ఒక సిగ్మా (\sigma) బంధం మరియు కార్బన్ యొక్క సంకరీకరణ చెందని p ఆర్బిటాల్ ఆక్సిజన్ యొక్క మరొక p ఆర్బిటాల్‌తో పార్శ్వ అతివ్యాపనం చెందడం ద్వారా ఏర్పడిన ఒక పై (\pi) బంధంతో కూడి ఉంటుంది.
3. జ్యామితి: sp సంకరీకరణ కారణంగా, అణువు 180° బంధ కోణంతో రేఖీయ జ్యామితిని కలిగి ఉంటుంది.
4. ధ్రువత్వం: కార్బన్ మరియు ఆక్సిజన్ మధ్య ఎలక్ట్రోనెగటివిటీ వ్యత్యాసం కారణంగా C=O బంధాలు ధ్రువ స్వభావం కలిగి ఉన్నప్పటికీ, రెండు C=O ద్విధ్రువ బంధాల యొక్క రేఖీయ సమరూప అమరిక వాటి రద్దుకు దారితీస్తుంది. కాబట్టి, CO₂ అణువు మొత్తం మీద అధ్రువమైనది.
5. భౌతిక స్థితి: గది ఉష్ణోగ్రత మరియు పీడనం వద్ద, CO₂ ఒక వాయువు. దాని ఘన స్థితిలో (డ్రై ఐస్), ఇది బలహీనమైన అంతర అణు శక్తుల (లండన్ విక్షేపణ శక్తులు) ద్వారా కలిసి ఉంచబడిన ఒక అణు ఘనం.

అధిక-స్థాయి ఆలోచనా నైపుణ్యాల ప్రశ్న (HOTS)

ప్రశ్న 1

కార్బన్ డయాక్సైడ్ (CO₂) గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద వాయువుగా ఉండగా, సిలికాన్ డయాక్సైడ్ (SiO₂) ఒక గట్టి, అధిక ద్రవీభవన స్థానం గల ఘనపదార్థం ఎందుకు? వాటి బంధం మరియు నిర్మాణంలో ఉన్న ప్రాథమిక తేడాలను వివరించండి.

నమూనా సమాధానం 1

గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద CO₂ మరియు SiO₂ యొక్క భౌతిక స్థితులలో తీవ్రమైన వ్యత్యాసం (CO₂ వాయువుగా, SiO₂ గట్టి ఘనపదార్థంగా) వాటి బంధం మరియు అణు నిర్మాణాలలో ప్రాథమిక తేడాల నుండి వస్తుంది.

1. కార్బన్ డయాక్సైడ్ (CO₂):

   • నిర్మాణం: CO₂ వివిక్త, సరళమైన త్రిపరమాణుక అణువులుగా (O=C=O) ఉంటుంది. కేంద్ర కార్బన్ పరమాణువు sp సంకరీకరణతో రెండు C=O ద్వి బంధాలను ఏర్పరుస్తుంది, దీని ఫలితంగా రేఖీయ జ్యామితి ఏర్పడుతుంది.
   • బంధం: ప్రతి CO₂ అణువులో, కార్బన్ మరియు ఆక్సిజన్ మధ్య బలమైన సమయోజనీయ బంధాలు ఉంటాయి. అయితే, వ్యక్తిగత CO₂ అణువులు ఘన లేదా ద్రవ స్థితిలో బలహీనమైన అంతర అణు శక్తుల ద్వారా మాత్రమే కలిసి ఉంటాయి, ముఖ్యంగా లండన్ విక్షేపణ శక్తులు (వాన్ డెర్ వాల్స్ శక్తులు).
   • ఫలితం: ఈ బలహీనమైన అంతర అణు శక్తులను అధిగమించడానికి చాలా తక్కువ శక్తి అవసరం. అందువల్ల, CO₂ చాలా తక్కువ ద్రవీభవన స్థానాన్ని కలిగి ఉంటుంది (-56.6 °C వద్ద 5.1 atm, -78.5 °C వద్ద 1 atm వద్ద ఉత్పతనం చెందుతుంది) మరియు గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద వాయువుగా ఉంటుంది.

2. సిలికాన్ డయాక్సైడ్ (SiO₂):

   • నిర్మాణం: SiO₂ అనేది CO₂ వలె వివిక్త అణువులుగా ఉండదు. బదులుగా, ఇది డైమండ్‌ను పోలి ఉండే బృహత్ సమయోజనీయ నెట్‌వర్క్ నిర్మాణాన్ని (మ్యాక్రోమాలిక్యులర్ నిర్మాణం) ఏర్పరుస్తుంది. ఈ నిర్మాణంలో, ప్రతి సిలికాన్ పరమాణువు నాలుగు ఆక్సిజన్ పరమాణువులకు టెట్రాహెడ్రల్‌గా బంధించబడి ఉంటుంది మరియు ప్రతి ఆక్సిజన్ పరమాణువు రెండు సిలికాన్ పరమాణువులను కలుపుతుంది. దీని ఫలితంగా బలమైన సమయోజనీయ Si-O-Si బంధాల నిరంతర 3D నెట్‌వర్క్ ఏర్పడుతుంది.
   • బంధం: SiO₂ యొక్క మొత్తం స్పటికం బలమైన సమయోజనీయ ఏక బంధాల విస్తారమైన నెట్‌వర్క్ ద్వారా కలిసి ఉంచబడుతుంది. సిలికాన్, కార్బన్ కంటే పెద్దది కావడం వల్ల, Si=O ద్వి బంధాల కంటే నాలుగు బలమైన Si-O ఏక బంధాలను ఏర్పరచడానికి ఇష్టపడుతుంది. p\pi-p\pi ద్వి బంధాల (Si=O) నిర్మాణం సిలికాన్‌కు అనుకూలం కాదు, ఎందుకంటే దాని 3p ఆర్బిటాల్‌లు పెద్ద పరిమాణంలో ఉంటాయి, ఇవి ఆక్సిజన్ యొక్క 2p ఆర్బిటాల్‌లతో సమర్థవంతమైన పార్శ్వ అతివ్యాపనానికి చాలా విసరణ చెంది ఉంటాయి.
   • ఫలితం: SiO₂ ను కరిగించడానికి లేదా మరిగించడానికి, మొత్తం నెట్‌వర్క్‌లోని ఈ విస్తృతమైన మరియు బలమైన సమయోజనీయ బంధాలను విచ్ఛిన్నం చేయడానికి పెద్ద మొత్తంలో శక్తి అవసరం. అందువల్ల, SiO₂ గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఒక గట్టి, అధిక ద్రవీభవన స్థానం గల ఘనపదార్థం (ద్రవీభవన స్థానం ≈ 1710 °C).

సారాంశంలో, కార్బన్ స్థిరమైన p\pi-p\pi బహుళ బంధాలను (C=O) ఏర్పరచుకునే సామర్థ్యం వివిక్త అణు యూనిట్లకు దారితీస్తుంది, అయితే సిలికాన్ బలమైన \sigma బంధాలను ఏర్పరచుకోవడానికి ఇష్టపడటం మరియు ఆక్సిజన్‌తో స్థిరమైన p\pi-p\pi బహుళ బంధాలను ఏర్పరచలేకపోవడం విస్తృతమైన బృహత్ సమయోజనీయ నెట్‌వర్క్ నిర్మాణానికి దారితీస్తుంది.