p-ब्लॉक तत्व (वर्ग 13 एवं वर्ग 14 के तत्व)

p-ब्लॉक तत्वों का सामान्य परिचय

आवर्त सारणी के वर्ग 13 से 18 तक के तत्वों को p-ब्लॉक तत्व कहा जाता है। इनके संयोजकता कोश का सामान्य इलेक्ट्रॉनिक विन्यास $ns^2 np^{1-6}$ (जहाँ $n = 2$ से $6$) होता है। $s$-ब्लॉक के विपरीत, जिसमें केवल अत्यधिक धनविद्युती धातुएँ पाई जाती हैं, p-ब्लॉक में धातुएँ, उपधातुएँ (अर्धधातुएँ) तथा अधातुएँ—तीनों प्रकार के तत्व विद्यमान होते हैं।

p-ब्लॉक के भारी तत्वों में बाह्यतम $s$-इलेक्ट्रॉन युग्म ($ns^2$) के रासायनिक आबंधन में भाग न लेने की अनिच्छा को अक्रिय युग्म प्रभाव कहते हैं। इसके फलस्वरूप तत्व की वर्ग ऑक्सीकरण अवस्था की तुलना में 2 इकाई कम वाली ऑक्सीकरण अवस्था अधिक स्थायी हो जाती है।

• उत्पत्ति: वर्ग में नीचे जाने पर आवर्त 6 के तत्वों (जैसे वर्ग 13 के थैलियम $\text{Tl}$ तथा वर्ग 14 के लेड $\text{Pb}$) में इलेक्ट्रॉन आंतरिक $(n-1)d^{10}$ तथा $(n-2)f^{14}$ उपकोशों में भरते हैं। इन $d$ तथा $f$ कक्षकों का स्थानिक प्रसार अधिक होने के कारण इनका परिरक्षण प्रभाव (Shielding Effect) अत्यंत दुर्बल होता है।
• आपेक्षिक संकुचन: दुर्बल परिरक्षण के कारण बाह्यतम $6s^2$ इलेक्ट्रॉन युग्म पर प्रभावी नाभिकीय आवेश ($Z_{\text{eff}}$) अत्यधिक बढ़ जाता है। इससे $6s$ कक्षक संकुचित होकर नाभिक से दृढ़तापूर्वक बंध जाता है और इसे अयुग्मित करके बंध बनाने हेतु अत्यधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
• ऑक्सीकरण अवस्थाओं का क्रम: वर्ग 13 में वर्ग ऑक्सीकरण अवस्था $+3$ है, किंतु नीचे जाने पर $+1$ अवस्था का स्थायित्व बढ़ता जाता है: $$\text{B}^{3+} > \text{Al}^{3+} > \text{Ga}^{3+} > \text{In}^{3+} > \text{Tl}^{3+}$$ $$\text{Tl}^+ > \text{In}^+ > \text{Ga}^+ > \text{Al}^+ > \text{B}^+$$ अतः $\text{TlCl}$ एक अत्यंत स्थायी आयनिक ठोस है, जबकि $\text{TlCl}_3$ ऊष्मीय रूप से अस्थायी है तथा एक प्रबल ऑक्सीकारक का कार्य करता है: $\text{Tl}^{3+} + 2e^- \to \text{Tl}^+$। इसके विपरीत हल्के तत्वों में $\text{Al}^+$ तीव्र अपचायक होता है और तुरंत जलीय विलयन में असमानुपातित हो जाता है।

वर्ग 13 के तत्वों की रासायनिक क्रियाशीलता

वर्ग 13 के सभी तत्व उच्च ताप पर ऑक्सीजन के साथ गर्म करने पर $\text{M}_2\text{O}_3$ सामान्य सूत्र के सेस्क्विऑक्साइड बनाते हैं:

• ऑक्साइडों की अम्ल-क्षार प्रकृति: वर्ग में नीचे जाने पर धात्विक गुण में वृद्धि के साथ ऑक्साइडों की अम्लीय प्रकृति क्षारीय प्रकृति में परिवर्तित होती जाती है: $$\text{B}_2\text{O}_3 \text{ (अम्लीय)} \quad \to \quad \text{Al}_2\text{O}_3, \, \text{Ga}_2\text{O}_3 \text{ (उभयधर्मी)} \quad \to \quad \text{In}_2\text{O}_3 \text{ (क्षारीय)} \quad \to \quad \text{Tl}_2\text{O}_3 / \text{Tl}_2\text{O} \text{ (प्रबल क्षारीय)}$$ अम्लीय $\text{B}_2\text{O}_3$ क्षारीय ऑक्साइडों के साथ क्रिया कर बोरेट बनाता है: $\text{B}_2\text{O}_3 + \text{CaO} \to \text{Ca(BO}_2)_2$।
• ऐलुमिनियम का उभयधर्मी व्यवहार (Amphoteric Nature): ऐलुमिनियम खनिज अम्लों तथा प्रबल जलीय क्षारों दोनों के साथ अभिक्रिया करके डाइहाइड्रोजन गैस मुक्त करता है: $$2\text{Al(s)} + 6\text{HCl(aq)} \to 2\text{Al}^{3+}\text{(aq)} + 6\text{Cl}^-\text{(aq)} + 3\text{H}_2\text{(g)}$$ $$2\text{Al(s)} + 2\text{NaOH(aq)} + 6\text{H}_2\text{O(l)} \to 2\text{Na}^+[\text{Al(OH)}_4]^-\text{(aq)} + 3\text{H}_2\text{(g)}$$ यहाँ बनने वाला संकुल सोडियम टेट्राहाइड्रॉक्सीऐलुमिनेट(III) कहलाता है।
• सांद्र नाइट्रिक अम्ल द्वारा निष्क्रियता (Passivation): सांद्र नाइट्रिक अम्ल ($\text{HNO}_3$) एक प्रबल ऑक्सीकारक होने के कारण ऐलुमिनियम धातु की सतह पर ऐलुमिनियम ऑक्साइड ($\text{Al}_2\text{O}_3$) की एक अति-सूक्ष्म, अभेद्य व सुरक्षात्मक परत बना देता है, जो धातु को आगे की रासायनिक अभिक्रिया से पूर्णतः निष्क्रिय बना देती है।

बोरॉन ट्राइहैलाइडों ($\text{BF}_3, \text{BCl}_3, \text{BBr}_3, \text{BI}_3$) में बोरॉन परमाणु $sp^2$ संकरित होकर तीन समतलीय सहसंयोजक बंध बनाता है ($120^\circ$ बंध कोण)। केंद्रीय बोरॉन परमाणु के पास केवल छह संयोजी इलेक्ट्रॉन होते हैं (इलेक्ट्रॉन षटक या न्यूनता), तथा एक रिक्त असंकरित $2p_z$ कक्षक आणविक तल के लंबवत उपस्थित रहता है। अतः $\text{BX}_3$ अणु लुईस क्षारकों से इलेक्ट्रॉन युग्म ग्रहण करके प्रबल लुईस अम्ल का कार्य करते हैं:

हैलोजन की विद्युत-ऋणात्मकता के आधार पर फ्लोरीन सर्वाधिक विद्युत-ऋणात्मक होने के कारण $\text{BF}_3$ को सबसे प्रबल लुईस अम्ल होना चाहिए था। किंतु प्रायोगिक रूप से ठीक उल्टा क्रम प्राप्त होता है:

• कारण ($p\pi-p\pi$ पश्च-आबंधन / Back-Bonding): $\text{BF}_3$ में बोरॉन तथा फ्लोरीन दोनों द्वितीय आवर्त के तत्व हैं। बोरॉन के रिक्त $2p_z$ कक्षक तथा फ्लोरीन के एकाकी युग्म युक्त पूर्ण $2p_z$ कक्षक का आकार और ऊर्जा लगभग समान होती है। इससे फ्लोरीन अपना इलेक्ट्रॉन युग्म बोरॉन के रिक्त कक्षक में आसानी से दान करके अत्यधिक प्रभावी $p\pi-p\pi$ पश्च-आबंध (आंशिक द्वि-आबंध) बना लेता है।
• इस आंतरिक पश्च-आबंधन के कारण $\text{BF}_3$ में बोरॉन की इलेक्ट्रॉन न्यूनता काफी हद तक समाप्त हो जाती है।
• किंतु $\text{BCl}_3, \text{BBr}_3$ तथा $\text{BI}_3$ में हैलोजनों के पूर्ण कक्षक क्रमशः $3p, 4p$ तथा $5p$ होते हैं, जो बोरॉन के सूक्ष्म $2p$ कक्षक की तुलना में बहुत बड़े और विसरित होते हैं। कक्षकों के इस विशाल आकार-अंतर के कारण पश्च-आबंधन अत्यंत दुर्बल अथवा नगण्य हो जाता है।
• चूँकि $\text{BI}_3$ में पश्च-आबंधन नहीं हो पाता, अतः इसका बोरॉन परमाणु सर्वाधिक इलेक्ट्रॉन-न्यून रहता है और बाह्य इलेक्ट्रॉन युग्म ग्रहण करने हेतु सर्वाधिक तत्पर रहता है, जिससे यह सबसे प्रबल लुईस अम्ल होता है।

बोरॉन के महत्वपूर्ण यौगिक

बोरेक्स टेट्राबोरिक अम्ल का सोडियम लवण है। इसका वास्तविक संरचनात्मक सूत्र $\text{Na}_2[\text{B}_4\text{O}_5(\text{OH})_4]\cdot 8\text{H}_2\text{O}$ है। इसमें उपस्थित चतुष्केंद्रिक इकाई में दो बोरॉन परमाणु $sp^2$ समतलीय तथा दो बोरॉन परमाणु $sp^3$ चतुष्फलकीय संकरित होते हैं।

• जलीय विलयन की क्षारीय प्रकृति: बोरेक्स जल में जल-अपघटित होकर एक प्रबल क्षार ($ ext{NaOH}$) तथा एक दुर्बल अम्ल ($ ext{H}_3 ext{BO}_3$) उत्पन्न करता है, जिससे इसका जलीय विलयन क्षारीय होता है: $$\text{Na}_2\text{B}_4\text{O}_7 + 7\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons 2\text{NaOH} + 4\text{H}_3\text{BO}_3$$
• बोरेक्स मनका परीक्षण (Borax Bead Test): प्लैटिनम तार के लूप पर बोरेक्स को बुन्सन ज्वाला में गर्म करने पर यह फूलकर क्रिस्टलन जल का त्याग करता है। अधिक गर्म करने पर ($740^\circ\text{C}$) यह पिघलकर सोडियम मेटाबोरेट ($\text{NaBO}_2$) तथा बोरिक ऐनहाइड्राइड ($\text{B}_2\text{O}_3$) का एक पारदर्शी कांच सदृश मनका (Bead) बनाता है: $$\text{Na}_2\text{B}_4\text{O}_7\cdot 10\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\Delta} \text{Na}_2\text{B}_4\text{O}_7 \xrightarrow{\text{रक्त तप्त}} 2\text{NaBO}_2 + \text{B}_2\text{O}_3$$ इस पारदर्शी मनके पर संक्रमण धातु लवण लगाकर पुनः गर्म करने पर विशिष्ट रंगों के मेटाबोरेट मनके बनते हैं: $$\text{CoO} + \text{B}_2\text{O}_3 \to \text{Co(BO}_2)_2 \quad (\text{कोबाल्ट मेटाबोरेट: गहरा नीला मनका})$$ $$\text{Cr}_2\text{O}_3 + 3\text{B}_2\text{O}_3 \to 2\text{Cr(BO}_2)_3 \quad (\text{हरा मनका})$$ $$\text{CuO} + \text{B}_2\text{O}_3 \to \text{Cu(BO}_2)_2 \quad (\text{ऑक्सीकारक ज्वाला में आसमानी नीला, अपचायक में अपारदर्शी लाल})$$

ऑर्थोबोरिक अम्ल एक श्वेत, साबुन जैसा चिकना स्पर्श युक्त क्रिस्टलीय ठोस है, जिसमें समतलीय $\text{B(OH)}_3$ इकाइयां परस्पर हाइड्रोजन बंधों द्वारा 2D परतदार जालक बनाती हैं।

• अम्लीयता की प्रकृति एवं क्रियाविधि: ऑर्थोबोरिक अम्ल कोई प्रोटॉन-दाता अम्ल नहीं है (यह अपने $-\text{OH}$ समूहों से $\text{H}^+$ का त्याग नहीं करता)। बोरॉन परमाणु इलेक्ट्रॉन-न्यून होने के कारण यह एक दुर्बल एकक्षारकी अ-प्रोटिक लुईस अम्ल है, जो जल के अणु से $\text{OH}^-$ ग्रहण करता है और एक हाइड्रोनियम आयन मुक्त करता है: $$\text{B(OH)}_3 + 2\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons [\text{B(OH)}_4]^- + \text{H}_3\text{O}^+ \quad (pK_a = 9.25)$$
• सिस-पॉलिऑल का प्रभाव (अनुमापन): दुर्बल अम्ल होने के कारण इसका फिनॉल्फथैलिन की उपस्थिति में $\text{NaOH}$ द्वारा सीधा अनुमापन संभव नहीं होता। परंतु विलयन में ग्लिसरॉल या मैनीटॉल जैसे सिस-डाइऑल मिलाने पर टेट्राहाइड्रॉक्सीबोरेट ऋणायन एक अत्यंत स्थायी चक्रीय किलेट संकुल बना लेता है। ला-शातेलिए के नियमानुसार साम्यावस्था दाईं ओर विस्थापित हो जाती है और यह एक प्रबल एकक्षारकी अम्ल में बदल जाता है, जिससे फिनॉल्फथैलिन के साथ तीक्ष्ण गुलाबी अंत-बिंदु प्राप्त होता है।
• ऊष्मा का प्रभाव: $$\text{H}_3\text{BO}_3 \xrightarrow{373\text{ K}} \text{HBO}_2 \text{ (मेटाबोरिक)} \xrightarrow{413\text{ K}} \text{H}_2\text{B}_4\text{O}_7 \text{ (टेट्राबोरिक)} \xrightarrow{\text{रक्त तप्त}} \text{B}_2\text{O}_3 \text{ (बोरिक ऐनहाइड्राइड)}$$

डाइबोरेन सरलतम बोरॉन हाइड्राइड है, जिसका विरचन ईथर माध्यम में बोरॉन ट्राइफ्लोराइड पर लीथियम ऐलुमिनियम हाइड्राइड की क्रिया द्वारा किया जाता है:

• इलेक्ट्रॉन न्यूनता: डाइबोरेन में कुल संयोजी इलेक्ट्रॉनों की संख्या केवल 12 होती है ($2 \times 3 + 6 \times 1 = 12$)। किंतु एथेन जैसी संरचना में 7 एकल बंधों हेतु 14 इलेक्ट्रॉनों की आवश्यकता होती है। अतः डाइबोरेन एक इलेक्ट्रॉन-न्यून अणु है।
• 3-केंद्र-2-इलेक्ट्रॉन ($3c-2e$) केला आबंध:
  • चार सिरे वाले हाइड्रोजन परमाणु ($\text{H}_t$) दोनों बोरॉन परमाणुओं के साथ एक ही तल में सामान्य द्विकेंद्रिक-द्वि-इलेक्ट्रॉनी ($2c-2e$) सहसंयोजक बंध बनाते हैं ($119\text{ pm}$, $\angle\text{H}_t-\text{B}-\text{H}_t = 120^\circ$)। इसमें 8 इलेक्ट्रॉन प्रयुक्त होते हैं।
  • शेष दो सेतु हाइड्रोजन परमाणु ($\text{H}_b$) आणविक तल के ऊपर और नीचे स्थित होकर दोनों बोरॉन परमाणुओं के मध्य सेतु बनाते हैं। प्रत्येक सेतु बंध एक बोरॉन के $sp^3$ कक्षक, सेतु हाइड्रोजन के $1s$ कक्षक तथा दूसरे बोरॉन के रिक्त $sp^3$ कक्षक के युगपत अतिव्यापन से बनता है।
  • इस असामान्य मुड़े हुए बंध को 3-केंद्र-2-इलेक्ट्रॉन ($3c-2e$) केला आबंध (Banana Bond) कहते हैं ($133\text{ pm}$, $\angle\text{B}-\text{H}_b-\text{B} = 97^\circ$)। इसमें शेष 4 इलेक्ट्रॉन प्रयुक्त होते हैं।
• अकार्बनिक बेन्जीन (बोराजीन, $\text{B}_3\text{N}_3\text{H}_6$): डाइबोरेन को अमोनिया के साथ $1:2$ मोलर अनुपात में $450\text{ K}$ ताप पर गर्म करने पर बोराजीन प्राप्त होता है: $$3\text{B}_2\text{H}_6 + 6\text{NH}_3 \xrightarrow{450\text{ K}} 2\text{B}_3\text{N}_3\text{H}_6 + 12\text{H}_2$$ बोराजीन बेन्जीन ($C_6H_6$) के सम-इलेक्ट्रॉनिक तथा सम-संरचनात्मक होता है। परंतु नाइट्रोजन व बोरॉन की विद्युत-ऋणात्मकता में अंतर के कारण $\text{B}-\text{N}$ आबंध ध्रुवीय होता है, जिससे यह कार्बनिक बेन्जीन की तुलना में योगात्मक अभिक्रियाओं हेतु अत्यधिक सक्रिय होता है।

वर्ग 14 के तत्व (कार्बन परिवार)

वर्ग 14 में कार्बन ($\text{C}$), सिलिकॉन ($\text{Si}$), जर्मेनियम ($\text{Ge}$), टिन ($\text{Sn}$) तथा लेड ($\text{Pb}$) सम्मिलित हैं। इनके संयोजकता कोश का सामान्य इलेक्ट्रॉनिक विन्यास $ns^2 np^2$ होता है।

वर्ग 14 के तत्व सामान्यतः $+4$ तथा $+2$ ऑक्सीकरण अवस्थाएं प्रदर्शित करते हैं।

• स्थायित्व का क्रम: अक्रिय युग्म प्रभाव के कारण वर्ग में नीचे जाने पर $+2$ अवस्था का स्थायित्व बढ़ता है तथा $+4$ अवस्था का स्थायित्व घटता है: $$\text{+4 अवस्था का स्थायित्व: } \text{C} > \text{Si} > \text{Ge} > \text{Sn} > \text{Pb}$$ $$\text{+2 अवस्था का स्थायित्व: } \text{Pb} > \text{Sn} > \text{Ge} > \text{Si} > \text{C}$$
• रेडॉक्स व्यवहार:
  • $\text{Sn}^{2+}$ एक प्रबल अपचायक है: टिन के लिए $+4$ अवस्था $+2$ से अधिक स्थायी होती है। अतः टिन(II) लवण सरलता से दो इलेक्ट्रॉन त्यागकर ऑक्सीकृत हो जाता है: $$\text{Sn}^{2+} \to \text{Sn}^{4+} + 2e^-$$ उदाहरणार्थ, $\text{SnCl}_2$ फेरिक लवण को फेरस में तथा $\text{HgCl}_2$ को पारे में अपचयित कर देता है।
  • $\text{Pb}^{4+}$ एक प्रबल ऑक्सीकारक है: लेड के लिए $+2$ अवस्था $+4$ की तुलना में अत्यंत स्थायी होती है। अतः लेड(IV) यौगिक तुरंत दो इलेक्ट्रॉन ग्रहण करके अपचयित हो जाते हैं: $$\text{Pb}^{4+} + 2e^- \to \text{Pb}^{2+}$$ लेड डाइऑक्साइड ($\text{PbO}_2$) सांद्र $\text{HCl}$ को क्लोरीन गैस में ऑक्सीकृत कर देता है: $\text{PbO}_2 + 4\text{HCl} \to \text{PbCl}_2 + \text{Cl}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$। आयोडाइड की प्रबल अपचायक क्षमता के कारण $\text{PbI}_4$ का अस्तित्व ही संभव नहीं है।

एक ही तत्व के परमाणुओं द्वारा सहसंयोजक बंधों द्वारा परस्पर जुड़कर लंबी खुली शृंखला, शाखित ढाँचा अथवा वलय बनाने की क्षमता को श्रृंखलन (Catenation) कहते हैं। आवर्त सारणी के सभी तत्वों में कार्बन की श्रृंखलन क्षमता सर्वाधिक है।

• कारण: श्रृंखलन सीधे एकल बंध वियोजन एन्थैल्पी पर निर्भर करता है। सूक्ष्म परमाणु आकार के कारण $\text{C}-\text{C}$ एकल बंध अत्यधिक सुदृढ़ ($348\text{ kJ/mol}$) होता है: $$\text{C}-\text{C} \, (348\text{ kJ/mol}) \gg \text{Si}-\text{Si} \, (222\text{ kJ/mol}) > \text{Ge}-\text{Ge} \, (167\text{ kJ/mol}) > \text{Sn}-\text{Sn} \, (155\text{ kJ/mol})$$ अतः श्रृंखलन का क्रम: $\text{C} \gg \text{Si} > \text{Ge} \approx \text{Sn} \gg \text{Pb}$।
• बहु-आबंधन: छोटे आकार के कारण कार्बन अपने अथवा अन्य छोटे परमाणुओं के साथ सुदृढ़ $p\pi-p\pi$ बहु-आबंध ($ ext{C}= ext{C}, ext{C}\equiv ext{C}, ext{C}= ext{O}$) बना सकता है। सिलिकॉन आदि के बड़े कक्षकों में यह संभव नहीं होता।

• $\text{CCl}_4$ का जल-अपघटन नहीं होता: कार्बन द्वितीय आवर्त का तत्व है और इसके संयोजकता कोश में कोई रिक्त $d$-कक्षक नहीं होता। अतः यह जल के एकाकी युग्म को ग्रहण करके अपनी उपसहसंयोजकता 4 से अधिक नहीं बढ़ा सकता।
• $\text{SiCl}_4$ का तीव्र जल-अपघटन होता है: सिलिकॉन तृतीय आवर्त का तत्व है और इसके पास रिक्त निम्न-ऊर्जा वाले $3d$-कक्षक उपस्थित होते हैं। जल का ऑक्सीजन परमाणु अपने एकाकी युग्म को सिलिकॉन के रिक्त $3d$-कक्षक में दान कर मध्यवर्ती संकुल बनाता है और क्रमशः चार $\text{HCl}$ अणु निष्कासित कर ऑर्थोसिलिसिक अम्ल बना देता है: $$\text{SiCl}_4 + 4\text{H}_2\text{O} \to \text{Si(OH)}_4 + 4\text{HCl}$$

कार्बन के क्रिस्टलीय अपररूप

कार्बन के तीन प्रमुख क्रिस्टलीय अपररूप हीरा, ग्रेफाइट तथा फुलेरीन हैं।

• संरचना एवं संकरण: हीरे में प्रत्येक कार्बन परमाणु $sp^3$ संकरित होता है तथा चार निकटवर्ती कार्बनों के साथ सुदृढ़ चतुष्फलकीय सहसंयोजक बंधों द्वारा जुड़ा होता है ($109.5^\circ$ बंध कोण, $\text{C}-\text{C}$ बंध लंबाई $154\text{ pm}$)।
• कठोरता एवं गलनांक: इस सतत त्रिविम सुदृढ़ सहसंयोजक जालक के कारण हीरा प्राकृतिक रूप से ज्ञात सर्वाधिक कठोर पदार्थ है (मोह पैमाने पर 10) तथा इसका गलनांक अति-उच्च ($> 4000\text{ K}$) होता है।
• विद्युत एवं ऊष्मा चालकता: सभी चार संयोजी इलेक्ट्रॉन बंधों में आबंधित होने के कारण हीरे में कोई मुक्त इलेक्ट्रॉन नहीं होता, अतः यह एक विद्युत का अचालक है। किंतु जालक के दृढ़ कंपनों (फोनॉन) के माध्यम से यह तांबे से भी श्रेष्ठ ऊष्मा का चालक होता है।

• संरचना एवं संकरण: ग्रेफाइट में प्रत्येक कार्बन $sp^2$ संकरित होकर तीन निकटवर्ती कार्बनों के साथ षट्कोणीय समतलीय परतें बनाता है ($\text{C}-\text{C}$ दूरी $141.5\text{ pm}$)।
• परतों के मध्य दूरी एवं वांडरवाल्स बल: ये षट्कोणीय परतें एक-दूसरे से $340\text{ pm}$ की दूरी पर स्थित होती हैं और दुर्बल वांडरवाल्स बलों द्वारा परस्पर जुड़ी होती हैं।
• विद्युत चालकता: प्रत्येक कार्बन का चौथा इलेक्ट्रॉन असंकरित $2p_z$ कक्षक में रहता है, जो संपूर्ण परत पर विस्थानीकृत $\pi$-इलेक्ट्रॉन अभ्र बनाता है। विद्युत क्षेत्र लगाने पर ये इलेक्ट्रॉन परतों के समांतर सरलता से गति करते हैं, जिससे ग्रेफाइट विद्युत का उत्तम चालक होता है।
• स्नेहक गुण: परतों के मध्य दुर्बल आकर्षण होने के कारण परतें एक-दूसरे पर आसानी से फिसल सकती हैं। अतः ग्रेफाइट स्पर्श में अत्यंत चिकना व नरम होता है तथा उच्च-ताप ठोस स्नेहक के रूप में प्रयुक्त होता है।
• ऊष्मागतिकीय स्थायित्व: मानक ताप व दाब पर ग्रेफाइट कार्बन का सर्वाधिक स्थायी अपररूप है ($\Delta_f H^\circ = 0\text{ kJ/mol}$)।

• अक्रिय हीलियम वातावरण में ग्रेफाइट छड़ों के मध्य विद्युत आर्क द्वारा वाष्पीकरण करके फुलेरीन बनाया जाता है। इसका सबसे प्रमुख रूप $\text{C}_{60}$ है, जो फुटबॉल जैसी संरचना प्रदर्शित करता है।
• ज्यामिति: $\text{C}_{60}$ में 20 षट्भुज वलय तथा 12 पंचभुज वलय होते हैं। पंचभुज वलय केवल षट्भुजों से ही संलयित हो सकते हैं (विलगित पंचभुज नियम)।
• इसमें सभी कार्बन परमाणु $sp^2$ संकरित होते हैं और पिंजड़े में एरोमैटिक लक्षण पाया जाता है।

• कार्बन मोनोक्साइड ($\text{CO}$):
  • संरचना: $:\text{C}\equiv\text{O}:^+$ जिसमें एक उपसहसंयोजक बंध होता है। यह एक उदासीन ऑक्साइड है।
  • उच्च ताप पर प्रबल अपचायक का कार्य करता है: $\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{CO} \to 2\text{Fe} + 3\text{CO}_2$।
  • घातक विषैलापन: रक्त के हीमोग्लोबिन के साथ मिलकर कार्बोक्सीहीमोग्लोबिन बनाता है, जो ऑक्सीहीमोग्लोबिन की तुलना में लगभग 300 गुना अधिक स्थायी होता है। इससे ऊतकों तक ऑक्सीजन का प्रवाह रुक जाता है और व्यक्ति की श्वास घुटने से मृत्यु हो जाती है।
• कार्बन डाइऑक्साइड ($\text{CO}_2$):
  • रेखीय अम्लीय ऑक्साइड ($sp$ संकरण, द्विध्रुव आघूर्ण शून्य)। जल में घुलकर दुर्बल कार्बोनिक अम्ल बनाता है।
  • ठोस $\text{CO}_2$ को शुष्क बर्फ (Dry Ice) कहा जाता है, क्योंकि यह द्रव अवस्था में बदले बिना $-78.5^\circ\text{C}$ पर सीधे गैस में ऊर्ध्वपातित हो जाता है।

सिलिकॉन रसायन एवं बहुलक सामग्रियां

भूपर्पटी में ऑक्सीजन के पश्चात सिलिकॉन दूसरा सर्वाधिक प्रचुर तत्व है (~$27.7\%$ द्रव्यमान अनुसार)। कार्बन की भांति वाष्पशील गैसीय ऑक्साइड ($ ext{CO}_2$) न बनाकर सिलिकॉन मुख्य रूप से स्थायी व सतत $\text{Si}-\text{O}-\text{Si}$ सिलोक्सेन बहुलक श्रृंखलाओं का निर्माण करता है।

• त्रिविम बहुलक जालक संरचना: क्रिस्टलीय सिलिका (क्वार्ट्ज, ट्राइडिमाइट, क्रिस्टोबेलाइट) एक विशाल त्रिविम सहसंयोजक जालक ठोस है। प्रत्येक सिलिकॉन परमाणु $sp^3$ संकरित होकर चार ऑक्सीजन परमाणुओं से चतुष्फलकीय रूप से जुड़ा होता है, तथा प्रत्येक ऑक्सीजन परमाणु दो निकटवर्ती सिलिकॉन परमाणुओं के मध्य सेतु का कार्य करता है।
• $\text{CO}_2$ से भिन्नता: कार्बन ऑक्सीजन के साथ सुदृढ़ $p\pi-p\pi$ द्वि-आबंध बनाकर विविक्त गैसीय $\text{CO}_2$ अणु बनाता है। परंतु सिलिकॉन के $3p$ कक्षक का आकार बड़ा होने से प्रभावी द्वि-आबंध नहीं बन पाता; अतः सिलिकॉन केवल एकल बंधों का विशाल त्रिविम ढांचा बनाता है, जिससे यह अति-उच्च गलनांक ($1983\text{ K}$) वाला ठोस होता है।
• हाइड्रोफ्लोरिक अम्ल द्वारा संक्षारण: सिलिका सामान्य खनिजों से अप्रभावित रहता है, किंतु $\text{HF}$ में घुलकर सिलिकॉन टेट्राफ्लोराइड तथा हाइड्रोफ्लोरोसिलिसिक अम्ल बनाता है: $$\text{SiO}_2 + 4\text{HF} \to \text{SiF}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$$ $$\text{SiF}_4 + 2\text{HF} \to \text{H}_2\text{SiF}_6$$ इस अभिक्रिया का उपयोग कांच पर नक्काशी (Etching of glass) में किया जाता है।

सिलिकोन संश्लेषित कार्ब-सिलिकॉन बहुलक हैं, जिनमें पुनरावृत्त $[\text{R}_2\text{SiO}]_n$ इकाइयाँ $-\text{Si}-\text{O}-\text{Si}-$ बंधों द्वारा जुड़ी रहती हैं (जहाँ $\text{R} = -\text{CH}_3, -\text{C}_2\text{H}_5, -\text{C}_6\text{H}_5$)।

• संश्लेषण प्रक्रम:
  1. कॉपर उत्प्रेरक की उपस्थिति में $570\text{ K}$ पर सिलिकॉन चूर्ण पर मेथिल क्लोराइड प्रवाहित करने पर डाइमेथिलडाइक्लोरोसिलेन बनता है: $$2\text{CH}_3\text{Cl} + \text{Si} \xrightarrow[570\text{ K}]{\text{Cu}} (\text{CH}_3)_2\text{SiCl}_2$$
  2. जल-अपघटन द्वारा यह सिलानॉल में परिवर्तित होता है: $$(\text{CH}_3)_2\text{SiCl}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \to (\text{CH}_3)_2\text{Si(OH)}_2 + 2\text{HCl}$$
  3. सिलानॉलों के संघनन बहुलकीकरण से रेखीय सिलिकोन प्राप्त होता है: $$n(\text{CH}_3)_2\text{Si(OH)}_2 \xrightarrow{-\text{H}_2\text{O}} -[\text{Si}(\text{CH}_3)_2-\text{O}-]_n-$$
  4. $\text{RSiCl}_3$ से त्रिविम तिर्यक-बद्ध (क्रॉस-लिंक्ड) सिलिकोन बनते हैं तथा $\text{R}_3\text{SiCl}$ शृंखला वृद्धि को रोक देता है।
• गुणधर्म एवं अनुप्रयोग: बाह्य अध्रुवीय ऐल्किल समूहों के कारण यह अत्यधिक जल-प्रतिकर्षी (Hydrophobic), ऊष्मा-प्रतिरोधी तथा उत्कृष्ट विद्युत-रोधी होता है। चिकित्सा में कृत्रिम अंग, पेसमेकर तथा वाटरप्रूफ वस्त्रों में इसका व्यापक उपयोग होता है।

• सिलिकेट: सभी सिलिकेटों की मूल संरचनात्मक इकाई चतुष्फलकीय $[\text{SiO}_4]^{4-}$ होती है।
  • ऑर्थोसिलिकेट में स्वतंत्र $[\text{SiO}_4]^{4-}$ इकाइयां होती हैं।
  • पायरोसिलिकेट में एक ऑक्सीजन साझा होता है: $[\text{Si}_2\text{O}_7]^{6-}$।
  • शृंखला सिलिकेट में दो तथा परतदार सिलिकेट में तीन ऑक्सीजन परमाणु साझेदार होते हैं।
• जियोलाइट (Zeolites): जियोलाइट त्रिविम सूक्ष्म-रंध्रीय क्रिस्टलीय ऐलुमिनोसिलिकेट होते हैं। सिलिका ढांचे में जब कुछ $\text{Si}^{4+}$ आयनों को $\text{Al}^{3+}$ द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, तो उत्पन्न ऋणायनी आवेश को संतुलित करने हेतु धनायन ($ ext{Na}^+, ext{K}^+, ext{Ca}^{2+}$) जुड़ते हैं।
  • इनके भीतर आणविक विमाओं ($300-1000\text{ pm}$) के नियमित छिद्र व चैनल होते हैं।
  • आकृति-चयनात्मक उत्प्रेरण: कृत्रिम जियोलाइट ZSM-5 मेथेनॉल को निर्जलीकृत करके सीधे उच्च-ऑक्टेन मोटर गैसोलीन में परिवर्तित करता है: $$n\text{CH}_3\text{OH} \xrightarrow{\text{ZSM-5}} (-\text{CH}_2-)_n + n\text{H}_2\text{O}$$
  • कठोर जल को मृदु करने में परम्यूटिट (सोडियम जियोलाइट) आयन-विनिमयक के रूप में प्रयुक्त होता है।