कार्बन और उसके यौगिक (Carbon and Its Compounds)

(क) कार्बन आयनिक बंध क्यों नहीं बनाता?

कार्बन का परमाणु क्रमांक 6 है (K=2, L=4)। उत्कृष्ट गैस (निऑन 2,8 अथवा हीलियम 2) जैसा स्थायी विन्यास प्राप्त करने के लिए कार्बन के समक्ष दो विकल्प होते हैं, किंतु दोनों ही ऊर्जा की दृष्टि से असंभव हैं:

1. चार इलेक्ट्रॉन ग्रहण करके $C^{4-}$ ऋणायन बनाना: 6 प्रोटॉन वाले कार्बन के छोटे नाभिक के लिए 10 इलेक्ट्रॉनों (6 मूल + 4 अतिरिक्त) को संभाल पाना अत्यधिक कठिन और अस्थिर होता है।
2. चार इलेक्ट्रॉन त्यागकर $C^{4+}$ धनायन बनाना: 6 प्रोटॉन के आकर्षण बल के विरुद्ध चार इलेक्ट्रॉनों को एक-एक करके बाहर निकालने के लिए अत्यधिक विशाल मात्रा में ऊर्जा (Ionisation Energy) की आवश्यकता होती है, जो संभव नहीं है।

अतः कार्बन इस समस्या का समाधान इलेक्ट्रॉनों की साझेदारी (Sharing of Electrons) करके निकालता है, जिससे सहसंयोजी आबंध (Covalent Bond) बनते हैं।

(ख) सहसंयोजी अणुओं की इलेक्ट्रॉन बिंदु संरचनाएँ (Electron Dot Structures)

• हाइड्रोजन अणु ($H_2$ - एकल सहसंयोजी आबंध): दो हाइड्रोजन परमाणु एक-एक इलेक्ट्रॉन की साझेदारी करके हीलियम जैसा द्विक विन्यास प्राप्त करते हैं: $H:H$ या $H-H$।
• ऑक्सीजन अणु ($O_2$ - द्वि-सहसंयोजी आबंध): दो ऑक्सीजन परमाणु (संयोजकता 6) दो-दो इलेक्ट्रॉनों की साझेदारी करके अष्टक पूर्ण करते हैं: $O::O$ या $O=O$।
• नाइट्रोजन अणु ($N_2$ - त्रि-सहसंयोजी आबंध): दो नाइट्रोजन परमाणु (संयोजकता 5) तीन-तीन इलेक्ट्रॉनों की परस्पर साझेदारी करते हैं: $N:::N$ या $N \equiv N$।
• मेथेन अणु ($CH_4$): कार्बन का एक परमाणु अपने 4 संयोजी इलेक्ट्रॉनों की साझेदारी चार अलग-अलग हाइड्रोजन परमाणुओं के साथ करता है।

(ग) कार्बन के अपररूप (Allotropes of Carbon)

(क) संतृप्त बनाम असंतृप्त हाइड्रोकार्बन

केवल कार्बन और हाइड्रोजन से बने यौगिकों को हाइड्रोकार्बन कहते हैं:

1. संतृप्त हाइड्रोकार्बन (ऐल्केन - Alkanes): कार्बन परमाणुओं के मध्य केवल एकल आबंध ($C-C$) होता है।
   • सामान्य सूत्र: $C_nH_{2n+2}$
   • उदाहरण: मेथेन ($CH_4$), एथेन ($C_2H_6$), प्रोपेन ($C_3H_8$)
   • ये कम क्रियाशील होते हैं और नीली स्वच्छ ज्वाला के साथ जलते हैं।
2. असंतृप्त हाइड्रोकार्बन:
   • ऐल्कीन (Alkenes): कार्बन परमाणुओं के मध्य कम से कम एक द्वि-आबंध ($C=C$) होता है। सामान्य सूत्र: $C_nH_{2n}$ (उदा. एथीन $C_2H_4$, प्रोपीन $C_3H_6$)।
   • ऐल्काइन (Alkynes): कार्बन परमाणुओं के मध्य कम से कम एक त्रि-आबंध ($C \equiv C$) होता है। सामान्य सूत्र: $C_nH_{2n-2}$ (उदा. एथाइन $C_2H_2$ / ऐसीटिलीन, प्रोपाइन $C_3H_4$)।
   • ये अधिक क्रियाशील होते हैं और पीली धुएं वाली ज्वाला के साथ जलते हैं।

(ख) प्रकार्यात्मक समूह (Functional Groups)

(ग) समजातीय श्रेणी (Homologous Series)

समान प्रकार्यात्मक समूह वाले कार्बनिक यौगिकों की वह श्रेणी जिसके उत्तरोत्तर सदस्यों के बीच संरचनात्मक और रासायनिक समानता होती है, उसे समजातीय श्रेणी कहते हैं।

समजातीय श्रेणी के चार प्रमुख लक्षण:

• किन्हीं दो क्रमागत सदस्यों के आणविक सूत्रों में $-CH_2-$ इकाई का अंतर होता है (जैसे $CH_4$ और $C_2H_6$ में अंतर $-CH_2-$ है)।
• किन्हीं दो क्रमागत सदस्यों के आणविक द्रव्यमान में 14 u का अंतर होता है ($C=12, H=1 \times 2 = 2 \to 14$ u)।
• श्रेणी के सभी सदस्यों के रासायनिक गुणधर्म समान होते हैं क्योंकि उनका प्रकार्यात्मक समूह एक ही होता है।
• आणविक द्रव्यमान बढ़ने के साथ सदस्यों के भौतिक गुणधर्मों (जैसे गलनांक, क्वथनांक, घनत्व) में क्रमिक परिवर्तन (Gradation) देखा जाता है।

1. दहन (Combustion)

कार्बन एवं उसके यौगिक वायु की उपस्थिति में जलकर ऊष्मा, प्रकाश और कार्बन डाइऑक्साइड देते हैं:

2. ऑक्सीकरण (Oxidation)

क्षारीय पोटैशियम परमैंगनेट ($KMnO_4$) अथवा अम्लीकृत पोटैशियम डाइक्रोमेट ($K_2Cr_2O_7$) शक्तिशाली उपचायक हैं, जो एथेनॉल को गर्म करने पर सीधे एथेनॉइक अम्ल में ऑक्सीकृत कर देते हैं:

3. संकलन या योगशील अभिक्रिया (Addition Reaction - हाइड्रोजनीकरण)

निकल ($Ni$) अथवा पैलेडियम ($Pd$) उत्प्रेरक की उपस्थिति में असंतृप्त हाइड्रोकार्बन में हाइड्रोजन जुड़कर संतृप्त हाइड्रोकार्बन बनाता है।

औद्योगिक अनुप्रयोग (वनस्पति घी का निर्माण): वनस्पति तेलों (असंतृप्त वसा, जो स्वास्थ्यवर्धक होते हैं) में निकल उत्प्रेरक की उपस्थिति में हाइड्रोजन गैस प्रवाहित करके वनस्पति घी (डालडा - संतृप्त वसा) बनाया जाता है:

4. प्रतिस्थापन अभिक्रिया (Substitution Reaction)

सूर्य के तीव्र प्रकाश (Sunlight) की उपस्थिति में मेथेन में क्लोरीन गैस मिलाने पर क्लोरीन परमाणु एक-एक करके हाइड्रोजन परमाणुओं को प्रतिस्थापित कर देते हैं:

(क) एथेनॉल ($C_2H_5OH$) बनाम एथेनॉइक अम्ल ($CH_3COOH$)

• एथेनॉल: कमरे के ताप पर द्रव, मीठी गंध, टिंचर आयोडीन, कफ सीरप व टॉनिक में प्रयुक्त। सोडियम धातु से क्रिया कर $H_2$ गैस देता है ($2C_2H_5OH + 2Na \to 2C_2H_5ONa + H_2↑$)। सांद्र $H_2SO_4$ के साथ 443 K पर गर्म करने पर निर्जलीकृत होकर एथीन बनाता है ($C_2H_5OH \to CH_2=CH_2 + H_2O$)।
• एथेनॉइक अम्ल (एसिटिक एसिड): इसके 5-8% जलीय विलयन को सिरका (Vinegar) कहते हैं (अचार परिरक्षण में प्रयुक्त)। इसका गलनांक 290 K (17°C) होता है, अतः सर्दियों में यह बर्फ की तरह जम जाता है, इसलिए इसे ग्लेशल एसिटिक अम्ल भी कहते हैं।

(ख) साबुन की मिसेल (Micelle) संरचना एवं शोधन क्रियाविधि

साबुन के अणु लंबी शृंखला वाले कार्बोक्सिलिक अम्लों के सोडियम अथवा पोटैशियम लवण होते हैं (जैसे सोडियम स्टीयरेट $C_{17}H_{35}COONa$)। साबुन के अणु के दो सिरे होते हैं:

1. जलरागी सिरा (Hydrophilic Head): आयनिक सिरा ($-COO^-Na^+$), जो ध्रुवीय होता है और जल में घुलनशील होता है।
2. जलविरागी सिरा (Hydrophobic Tail): लंबी हाइड्रोकार्बन पूंछ, जो अध्रुवीय होती है और जल से दूर भागती है किंतु तेल एवं मैल में घुलनशील होती है।

मिसेल का निर्माण (Formation of Micelle):
जब साबुन को जल में घोला जाता है, तो इसके अणु एक गोलाकार संरचना में व्यवस्थित हो जाते हैं जिसमें जलविरागी हाइड्रोकार्बन पूंछें केंद्र में मैल की बूंद की ओर अंदर धंस जाती हैं, जबकि आयनिक जलरागी सिरे बाहर जल की ओर रहते हैं। इस गोलाकार आणविक पुंज को मिसेल कहते हैं।

जब कपड़े को रगड़ा जाता है या वॉशिंग मशीन में घुमाया जाता है, तो मिसेल मैल की तैलीय बूंद को अपने केंद्र में फंसाकर कपड़े की सतह से खींचकर अलग कर देती है और जल के साथ मैल बाहर बह जाता है।