📁 सामान्य विज्ञान (General Science) 📖 रसायनशास्त्र: आम्ल, आम्लारी, क्षार, pH स्केल, धातू, अधातू, कार्बन व बहुवारिके (Acids, Metals & Carbon) ⏱️ 30 मिनिटे वाचन 👁️ 112 views
कार्बन व त्याची संयुगे: अपरूपे (हिरा, ग्रॅफाइट, फुलेरिन), हायड्रोकार्बन्स, बहुवारिके व दैनंदिन रसायनशास्त्र
कार्बन व त्याची संयुगे: अपरूपे (हिरा, ग्रॅफाइट, फुलेरिन), हायड्रोकार्बन्स, बहुवारिके व दैनंदिन रसायनशास्त्र या घटकामध्ये कार्बन, कार्बनची अपरूपे (Allotropes of Carbon), अ) स्फटिकी अपरूपे (Crystalline Allotropes) या मुद्द्यांचा सविस्तर समावेश आहे.
लेखक: Mahasarav Team• २५ ऑगस्ट, २०२६
१. कार्बन: अद्भुत मूलद्रव्य (Carbon & Its Allotropes)
कार्बन (C - अणूअंक ६, अणुवस्तुमान १२, संयुजा ४ - Tetravelent) हा सेंद्रिय रसायनशास्त्राचा पाया आहे. कार्बन इतर कार्बन अणूंसोबत अमर्याद साखळ्या तयार करू शकतो, या गुणधर्माला कॅटनेशन (Catenation / शृंखलाबंधन शक्ती) म्हणतात.
कार्बनची अपरूपे (Allotropes of Carbon):
एकाच मूलद्रव्याचे रासायनिक गुणधर्म समान पण भौतिक गुणधर्म भिन्न असण्याच्या गुणधर्माला अपरूपता (Allotropy) म्हणतात:
अ) स्फटिकी अपरूपे (Crystalline Allotropes):
| अपरूप | रचना व वैशिष्ट्ये | उपयोग |
|---|---|---|
| १. हिरा (Diamond) |
• चतुष्कोणीय (Tetrahedral) त्रिमितीय रचना. • प्रत्येक कार्बन इतर ४ कार्बन अणूंना सहसंयुज बंधाने जोडलेला असतो. • निसर्गातील सर्वात कठीण पदार्थ, विजेचा दुर्वाहक, पूर्ण अंतर्गत परावर्तनामुळे चमकतो. |
काच कापण्याचे साधन, खडकांना छिद्र पाडणारी यंत्रे (Rock drilling), मौल्यवान दागिने, डोळ्यांच्या शस्त्रक्रियेची सुरी. |
| २. ग्रॅफाइट (Graphite) |
• षटकोनी (Hexagonal) थरांच्या स्वरूपातील रचना. • थर एकमेकांवरून घसरतात, म्हणून मऊ व निसरडे असते. • मुक्त इलेक्ट्रॉन असल्यामुळे विजेचा उत्तम सुवाहक. |
पेन्सिलची शिसे (Lead), विद्युत घटांमधील कार्बन इलेक्ट्रोड्स, उच्च तापमानातील वंगण (Dry lubricant). |
| ३. फुलेरिन (Fullerene - $C_{60}$) |
• फुटबॉलसारखी किंवा बकीबॉल (Buckyball) रचना (रिचर्ड बकमिनिस्टर फुलर यांच्या नावावरून). • २० षटकोन व १२ पंचकोन मिळून ६० कार्बनची पोकळ रचना. |
नॅनो तंत्रज्ञान, औषध वितरण (Drug delivery), अतिसंवाहक (Superconductors). |
| ४. ग्राफीन (Graphene) | कार्बनचा केवळ एका अणूच्या जाडीचा षटकोनी मधमाश्यांच्या पोळ्यासारखा थर. अत्यंत मजबूत व अतिउत्कृष्ट विद्युत सुवाहक. | लवचिक टचस्क्रीन स्क्रीन, जलद चार्ज होणाऱ्या बॅटऱ्या. |
ब) अस्फटिकी अपरूपे (Non-crystalline / Amorphous):
- कोळसा (Coal): ४ प्रकार -
- अँथ्रासाइट (Anthracite): सर्वोत्कृष्ट कोळसा (९० ते ९५% कार्बन), धूर न सोडता निळ्या ज्योतीने जळतो.
- बिट्युमिनस (Bituminous): ७० ते ८०% कार्बन (व्यावसायिक वापराचा मुख्य कोळसा).
- लिग्नाइट (Lignite / तपकिरी कोळसा): ५० ते ६०% कार्बन.
- पीट (Peat): सर्वात निकृष्ट कोळसा (< ४०% कार्बन).
- कोक (Coke): शुद्ध कार्बन (धातू क्षपणासाठी वापरतात).
- काजळी / लॅम्प ब्लॅक (Lampblack): प्रिंटर शाई व काजळ.
- सक्रिय चारकोल (Activated Charcoal): वायू व विषारी पदार्थ शोषून घेण्यासाठी.
२. हायड्रोकार्बन्स (Hydrocarbons)
केवळ हायड्रोजन आणि कार्बन यांनी बनलेल्या संयुगांना हायड्रोकार्बन्स म्हणतात:
| श्रेणी | सामान्य सूत्र | बंध प्रकार | उदाहरणे व महत्त्वाचे संदर्भ |
|---|---|---|---|
| अल्केन्स (Alkanes / पॅराफिन्स) | $C_n H_{2n+2}$ | संतृप्त (Saturated) - एकेरी बंध |
• मिथेन ($CH_4$ - मार्स गॅस, बायोगॅसचा मुख्य घटक ६०-७०%, CNG चा मुख्य घटक ८०-९०%). • प्रोपेन ($C_3H_8$) व ब्युटेन ($C_4H_{10}$): घरगुती LPG सिलिंडरचे मुख्य घटक (गळती ओळखण्यासाठी दुर्गंधीयुक्त 'इथिल मर्कॅप्टन' मिसळतात). |
| अल्कीन्स (Alkenes / ओलेफिन्स) | $C_n H_{2n}$ | असंतृप्त (Unsaturated) - दुहेरी बंध ($C=C$) | • इथीन / इथिलीन ($C_2H_4$): फळे कृत्रिमरीत्या पिकवण्यासाठी व पॉलिथिन प्लास्टिक बनवण्यासाठी. |
| अल्काईन्स (Alkynes) | $C_n H_{2n-2}$ | असंतृप्त (Unsaturated) - तिहेरी बंध ($C \equiv C$) | • इथाईन / अ‍ॅसिटिलीन ($C_2H_2$): ऑक्सी-अ‍ॅसिटिलीन वेल्डिंग ज्योत (अतिउच्च तापमान ~३०००°C). |
३. बहुवारिके / पॉलिमर्स व प्लास्टिक (Polymers & Plastics)
- पॉलिमरायझेशन: अनेक लहान रेणू (Monomers) एकत्र येऊन महाकाय रेणू (Polymer) तयार होण्याची प्रक्रिया.
- मानवनिर्मित धागे (Synthetic Fibres):
- नायलॉन (Nylon - ६,६): पहिला पूर्णतः मानवनिर्मित कृत्रिम धागा (१९३५ - न्यूयॉर्क व लंडन). अतिशय मजबूत, लवचिक व चमकदार (दोऱ्या, पॅराशूट).
- रेयॉन (Rayon): लाकडाच्या लगद्यावर रासायनिक प्रक्रिया करून बनवलेला 'कृत्रिम रेशीम' (Artificial Silk).
- पॉलिस्टर / टेरिलीन (Terylene / Dacron): सुरकुत्या न पडणारे कापड.
- प्लॅस्टिकचे प्रकार:
- थर्मोप्लॅस्टिक (Thermoplastic): उष्णता दिल्यास सहज वितळणारे व पुन्हा आकार देता येणारे (उदा. पॉलिथिन पिशव्या, पीव्हीसी पाईप्स - PVC, पॉलीस्टीरिन).
- थर्मोसेटिंग प्लॅस्टिक (Thermosetting Plastic): एकदा उष्णता देऊन साच्यात ओतल्यावर पुन्हा वितळवता न येणारे कठीण प्लॅस्टिक (उदा. बेकेलाईट - Bakelite: कुकरची हॅण्डल्स, विजेचे स्विचेस; मेलामाइन: न फुटणारी क्रॉकरी भांडी; टेफ्लॉन - Teflon: नॉन-स्टिक स्वयंपाकाच्या भांड्यांचे कोटिंग).
- नैसर्गिक रबर व व्हल्कनायझेशन: रबर झाडाच्या चिकापासून (Latex) मिळतो (आयसोप्रीन पॉलिमर). रबराचा कडकपणा व टिकाऊपणा वाढवण्यासाठी त्यात गंधक (Sulfur) घालून तापवले जाते, या प्रक्रियेला व्हल्कनायझेशन (Vulcanization - चार्ल्स गुडइयर) म्हणतात.
४. दैनंदिन जीवनातील रसायनशास्त्र (Everyday Chemistry)
- साबण व डिटर्जंट्स: साबण हे उच्च मेदाम्लांचे (Fatty acids) सोडियम किंवा पोटॅशियम क्षार असतात. साबण केवळ गोड्या पाण्यातच (Soft water) फेस देतो, जड पाण्यात फेस देत नाही. डिटर्जंट्स हे सल्फोनेट क्षार असून ते जड पाण्यातही उत्तम फेस देतात.
- रासायनिक खते (Fertilizers - NPK):
- युरिया ($NH_2CONH_2$): सर्वाधिक नायट्रोजन असलेले खत (४६% नायट्रोजन).
- सुपर फॉस्फेट (फॉस्फरस), म्युरिएट ऑफ पोटॅश (पोटॅशियम).
- प्रमुख औषधे:
- अ‍ॅन्टिपायरेटिक (Antipyretic): ताप कमी करणारी औषधे (उदा. पॅरासिटामॉल, क्रोसिन).
- अ‍ॅनाल्जेसिक (Analgesic): वेदनाशामक औषधे (उदा. अ‍ॅस्पिरिन, आयबुप्रोफेन).
- अ‍ॅन्टिबायोटिक (Antibiotic / प्रतिजैविके): जिवाणूंची वाढ रोखणारी औषधे (उदा. पेनिसिलिन - अलेक्झांडर फ्लेमिंग यांनी १९२८ मध्ये शोधले).
- अ‍ॅन्टॅसिड (Antacid): जठरातील अ‍ॅसिडिटी कमी करणारी औषधे ($Mg(OH)_2, NaHCO_3$).
- इतर महत्त्वाची रसायने:
- लाफिंग गॅस (हसविणारा वायू): नायट्रस ऑक्साईड ($\mathbf{N_2O}$).
- अश्रूधूर (Tear Gas): क्लोरोपिक्रिन / CS गॅस.
- मतदानाची शाई (Indelible Ink): सिल्व्हर नायट्रेट ($\mathbf{AgNO_3}$) (म्हैसूर पेंट्स येथे निर्मिती).
- कृत्रिम पाऊस (Cloud Seeding): सिल्व्हर आयोडाईड ($\mathbf{AgI}$) किंवा शुष्क बर्फ ($CO_2$).
- उंदीर मारण्याचे औषध (Rodenticide): झिंक फॉस्फाइड ($\mathbf{Zn_3P_2}$).
- शुष्क बर्फ (Dry Ice): स्थायूरूपातील कार्बन डायऑक्साईड ($\mathbf{Solid \ CO_2}$).
💎 कार्बनची अपरूपे, हायड्रोकार्बन्स व बहुवारिके (Carbon Allotropes, Hydrocarbons & Polymers)
कार्बन हा चतुरसंयुजी (Tetravalent) मूलद्रव्य असून कॅटिनेशन (Catenation) गुणधर्मामुळे स्वतःच्याच अणूंसोबत अमर्याद साखळ्या तयार करू शकतो. त्यामुळे सेंद्रिय संयुगांची संख्या लाखो आहे:
| अपरूपाचे नाव | संरचना व रचना प्रकार | भौतिक गुणधर्म व विद्युत वाहकता | प्रमुख उपयोग |
|---|---|---|---|
| हिरा (Diamond) | त्रिमितीय चतुष्कोणीय जाळी (Tetrahedral structure); प्रत्येक कार्बन इतर ४ कार्बनशी जोडलेला. | निसर्गातील सर्वात कठीण नैसर्गिक पदार्थ; विद्युत दुर्वाहक; उच्च अपवर्तनांक (२.४२). | दागिने; काच कापण्यासाठी; खडक फोडण्याच्या ड्रिलिंग मशिनमध्ये. |
| ग्रॅफाइट (Graphite) | षटकोणीय थरांची रचना (Hexagonal layers); थरांमध्ये कमकुवत वांडरव्हाल बल. | काळे, मऊ व गुळगुळीत; मुक्त इलेक्ट्रॉन्समुळे विद्युत सुवाहक असतो. | पेन्सिलचे शीस; कोरड्या घटामधील इलेक्ट्रोड; यंत्रांमध्ये वंगण (Lubricant); अणुभट्टीत मंदक. |
| फुलेरिन (Fullerene - C₆₀) | बकमिनिस्टर फुलेरिन (बकीबॉल); ६० कार्बन अणूंची फुटबॉलसारखी पोकळ रचना (२० षटकोन + १२ पंचकोन). | उच्च तापमानाला अतिसंवाहक (Superconductor); जैविक वाहक. | नॅनो तंत्रज्ञान; कर्करोगाच्या औषध वितरणात (Drug delivery); सौर सेल. |
| ग्राफीन (Graphene) | कार्बन अणूंचा केवळ एक अणू जाडीचा द्विमितीय षटकोणीय थर. | पोलादापेक्षा २०० पट मजबूत; उष्णता व विजेचा अतिउत्कृष्ट वाहक. | लवचिक मोबाईल स्क्रीन; हायस्पीड मायक्रोप्रोसेसर; प्रगत बॅटऱ्या. |
🧵 महत्त्वाची बहुवारिके व प्लास्टिक (Polymers & Plastics)
टेफ्लॉन (PTFE):
पॉलीटेट्राफ्ल्युओरोइथिलीन. नॉन-स्टिक स्वयंपाकाची भांडी (Non-stick cookware) बनवण्यासाठी वापर.
बेकेलाईट (Bakelite):
थर्मोसेटिंग प्लास्टिक (उष्णतेने वितळत नाही). विजेचे स्विच, प्लग, कुकर व इस्त्रीचे हँडल.
पीव्हीसी (PVC):
पॉलीविनाईल क्लोराईड. पाण्याचे पाईप्स, विजेच्या तारांचे इन्सुलेशन कोटिंग व रेनकोट.
नायलॉन-६,६:
पहिले पूर्ण मानवनिर्मित कृत्रिम धागा (Synthetic fiber). दोऱ्या, पॅराशूट, टूथब्रश ब्रिसल्स.
👮♂️ पोलीस भरती व सरळसेवा 'गोल्डन' वन-लाइनर तथ्ये (Carbon Facts)
📌 LPG (घरगुती सिलिंडर) मधील मुख्य घटक: ब्युटेन ($C_4H_{10}$) व प्रोपेन ($C_3H_8$).
📌 LPG गळती ओळखण्यासाठी मिसळला जाणारा दुर्गंधीयुक्त पदार्थ: इथाईल मर्कॅप्टन ($C_2H_5SH$).
📌 CNG (दाबयुक्त नैसर्गिक वायू) मधील मुख्य घटक: मिथेन ($CH_4$ - ८० ते ९०%).
📌 बायोगॅस / शेणखत गॅसचा मुख्य घटक: मिथेन ($CH_4$ - ५५ ते ६५%) व $CO_2$.
📌 मार्श गॅस (Marsh Gas) कोणाला म्हणतात: मिथेन ($CH_4$ - दलदलीच्या भागात तयार होतो).
📌 कृत्रिमरीत्या फळे पिकवण्यासाठी वापरला जाणारा वायू: इथिलीन ($C_2H_4$) व अ‍ॅसिटिलीन ($C_2H_2$ - कॅल्शियम कार्बाइडपासून).
📌 दारू / मद्य (Alcohol) मधील मुख्य घटक: इथाईल अल्कोहोल किंवा इथेनॉल ($C_2H_5OH$).
📌 विषारी दारू (Poisonous alcohol) ज्यामुळे मृत्यू होतो: मिथाईल अल्कोहोल / मिथेनॉल ($CH_3OH$).
📌 शुष्क बर्फ (Dry Ice) म्हणजे काय: स्थायुरूप कार्बन डायऑक्साईड (Solid $CO_2$).
📌 भोपाळ गॅस दुर्घटनेत गळती झालेला विषारी वायू: मिथाईल आयसोसायनेट (MIC - २-३ डिसेंबर १९८४).
📝 MPSC Combine व राज्यसेवा सराव प्रश्न
प्र. १. घरगुती स्वयंपाकाच्या गॅस सिलिंडरमध्ये (LPG) गॅस गळती लगेच कळावी यासाठी कोणता उग्र दर्प असणारा पदार्थ मिसळला जातो? [MPSC Group C]
(A) मिथेन
(B) इथाईल मर्कॅप्टन
(C) क्लोरोफॉर्म
(D) सल्फर डायऑक्साईड
उत्तर: (B) इथाईल मर्कॅप्टन. स्पष्टीकरण: LPG मधील ब्युटेन व प्रोपेन हे दोन्ही वायू रंगहीन आणि गंधहीन असतात. त्यामुळे गळती झाल्यास सुरक्षिततेसाठी तीव्र गंध असलेला 'इथाईल मर्कॅप्टन' मिसळला जातो.
प्र. २. नॉन-स्टिक (Non-stick) स्वयंपाकाची भांडी बनवण्यासाठी खालीलपैकी कोणत्या बहुवारिकाचा (Polymer) लेप दिला जातो? [MPSC Combine B]
(A) पीव्हीसी (PVC)
(B) टेफ्लॉन (PTFE)
(C) बेकेलाईट
(D) नायलॉन
उत्तर: (B) टेफ्लॉन. स्पष्टीकरण: टेफ्लॉनवर तेल किंवा पाणी चिटकत नाही आणि तो उच्च तापमानालाही स्थिर राहतो, म्हणून नॉन-स्टिक भांड्यांवर त्याचा थर दिला जातो.
🩹 हायड्रोजन पेरॉक्साइड (Hydrogen Peroxide - H₂O₂) व जखमांची काळजी:
हायड्रोजन पेरॉक्साइड हे एक तीव्र ऑक्सिडीकारक (Oxidizing agent) असून ते सौम्य जंतुनाशक (Antiseptic) म्हणून ऐतिहासिक काळापासून वापरले जाते. तथापि, आधुनिक वैद्यकीय मार्गदर्शक तत्त्वांनुसार उघड्या ताज्या जखमा स्वच्छ करण्यासाठी H₂O₂ चा नियमित वापर करणे टाळले जाते; कारण त्यामुळे जंतूंसोबतच शरीराच्या निरोगी पेशी व ऊती (Healthy granulation tissue) यांचेही नुकसान होऊन जखम भरण्याची प्रक्रिया मंदावते.
🎯 सराव परीक्षा (Practice Quiz)
रसायनशास्त्र: आम्ल-आम्लारी, pH स्केल, धातू-संमिश्रे व कार्बन चाचणी ०४
या घटकाचा अभ्यास पूर्ण झाला असल्यास लगेच चाचणी सोडून सराव करा.
📝
5 टेस्ट्स या घटकावर आधारित मोफत सराव टेस्ट्स (Free Practice Tests)
1
रसायनशास्त्र: आम्ल-आम्लारी, pH स्केल, धातू-संमिश्रे व कार्बन चाचणी ०४
⏱️ 15 मि.•🏆 20 गुण मोफत
4
रसायनशास्त्र - आम्ल, आम्लारी, क्षार व pH श्रेणी - सराव चाचणी
⏱️ 15 मि.•🏆 15 गुण मोफत
5
रसायनशास्त्र - धातू, अधातू, क्षरण व मिश्रधातू - सराव चाचणी
⏱️ 15 मि.•🏆 15 गुण मोफत