Notes-Marathi Medium-Class 9-विज्ञान आणि तंत्रज्ञान-पाठ-13-कार्बन : एक महत्त्वाचे मूलद्रव्य-Maharashtra Board

अभ्यासघटक : कार्बन-आढळ, गुणधर्म, अपरूपे हायड्रोकार्बन कार्बन डायऑक्साईड व मिथेन-आढळ, गुणधर्म, उपयोग

मूलद्रव्य : ज्या पदार्थाचे भौतिक किंवा रासायनिक प्रक्रियेने अपघटन करता येत नाही, अशा पदार्थाला मूलद्रव्य म्हणतात.

• मूलद्रव्यांचे प्रकार : धातू, अधातू व धातुसदृश.

संयुग : दोन किंवा अधिक मूलद्रव्यांमध्ये रासायनिक अभिक्रिया घडून आल्यावर तयार होणाऱ्या पदार्थाला संयुग म्हणतात.

• वनस्पती व प्राणी यांच्यापासून प्रत्यक्ष किंवा अप्रत्यक्षपणे संयुगे तयार होतात. तसेच खनिजांपासून संयुगे तयार होतात.

कार्बन (Carbon) :

• कार्बन हे अधातू मूलद्रव्य आहे.
• कार्बनची संज्ञा C, अणुअंक 6 व इलेक्ट्रॉन संरूपण 2, 4 आहे. कार्बनची संयुजा 4 आहे.

कार्बनचा आढळ (Occurrence of Carbon ) :

• सर्व वनस्पती व प्राणिजन्य पदार्थांत कार्बन हा प्रमुख घटक असतो.
• कार्बन हे मूलद्रव्य निसर्गात मुबलक मुक्त तसेच संयुगाच्या स्वरूपात आढळते.
• निसर्गात कार्बन हा हिरा, ग्रॅफाइट या अवस्थेत आढळतो.
• संयुग अवस्थेत (1) कार्बन डायऑक्साइड, कॅल्शिअम कार्बोनेट, मार्बल, कॅलामाइन (2) दगडी कोळसा, पेट्रोलिअम, नैसर्गिक वायू (3) पिष्टमय पदार्थ, प्रथिने, मेद (4) नैसर्गिक धागे, सुती कपडे, लोकर रेशीम यांमध्ये कार्बन आढळतो.
• पृथ्वीच्या कवचामध्ये सुमारे 27% कार्बन असून तो कार्बोनेट, कोळसा, पेट्रोलिअम स्वरूपात असतो; तर वातावरणात असणारे कार्बनचे प्रमाण कार्बन डायऑक्साइडच्या स्वरूपात सुमारे 0.03% एवढे असते.
• महासागरांच्या तळाशी असलेल्या काही प्रकारच्या वनस्पती पाण्यातील कार्बनचे रूपांतर कॅल्शिअम कार्बोनेटमध्ये करीत असतात.

कार्बनचे गुणधर्म (Properties of Carbon) :

कार्बनची अपरूपता (Allotropes of Carbon) : निसर्गात काही मूलद्रव्ये एकापेक्षा अधिक रूपात आढळतात. त्यांचे रासायनिक गुणधर्म सारखे असले तरी भौतिक गुणधर्म भिन्न असतात. मूलद्रव्यांच्या या गुणधर्माला अपरूपता म्हणतात.

• कार्बनप्रमाणेच सल्फर, फॉस्फरस ही मूलद्रव्ये सुद्धा अपरूपता दर्शवतात.
• कार्बनची अपरूपता स्फटिक रूप आणि अस्फटिक रूप अशा दोन प्रकारची असते.

स्फटिक रूपे (Crystalline forms) : हिरा, ग्रॅफाइट, फुलेरिन्स ही कार्बनची स्फटिकरूपी बहुरूपे आहेत.

(i) हिरा (Diamond) :

हिरा भारतामध्ये कर्नाटकात  गोवळकोंडा व मध्य प्रदेशात पन्ना येथे सापडतो.

• हिऱ्यात प्रत्येक कार्बन अणू हा शेजारील चार कार्बन अणूंशी सहसंयुज बंधाने बंधित असतो. त्यामुळे तो टणक, चतुष्कोनातील त्रिमितीय रचना देतो.
• हिरा हा तेजस्वी व शुद्ध कठीण पदार्थ आहे. याची घनता 5 g/cm³ आहे व द्रवणांक 3500 °C आहे.
• हिरा 800 °C तापमानाला तापवल्यास CO₂ मुक्त होतो.
• हिरा कोणत्याही द्रावणात विरघळत नाही. आम्ल/अल्कली यांचा हिऱ्यावर काहीही परिणाम होत नाही.
• हिरा विद्युत दुर्वाहक असतो.

उपयोग :

• हिऱ्याचा उपयोग काच कापणे व खडकाला छिद्र पाडण्याच्या उपकरणांमध्ये वापरतात.
• दागिन्यांमध्ये मौल्यवान खडा म्हणून हिरा वापरतात.
• डोळ्याच्या शस्त्रक्रिया करण्याच्या उपकरणांमध्ये हिऱ्यांचा वापर वापरतात.
• अवकाशात व कृत्रिम उपग्रहांमध्ये प्रारणांपासून संरक्षण करणाऱ्या खिडक्या तयार करण्यासाठी हिऱ्याचा उपयोग करतात.

(ii) ग्रॅफाइट (Graphite) :

रशिया, न्यूझीलंड, अमेरिका व भारतात नैसर्गिक स्वरूपात ग्रॅफाइट आढळते.

• ग्रॅफाइटमध्ये प्रत्येक कार्बन अणू हा इतर तीन कार्बन अणूंसोबत अशा प्रकारे बंधित असतो की, त्यामुळे प्रतलीय षट्कोनी रचना तयार होते.
• निसर्गात सापडणारे ग्रॅफाइट काळे, मऊ व गुळगुळीत असते.
• ग्रॅफाइट हे विद्युत सुवाहक आहे.
• कागदावर उमटण्याची क्षमता यात असते.
• ग्रॅफाइटची घनता 9 ते 2.3 g/cm³ इतकी आहे.
• ग्रॅफाइट हे बहुतांश द्रावकांत विरघळत नाही.

उपयोग :

• वंगण तयार करण्यासाठी.
• कार्बन इलेक्ट्रोड तयार करण्यासाठी.
• ग्रॅफाइटचा वापर रंग, पॉलिश व पेन्सिलीमध्ये केला जातो.
• खूप प्रकाश देणाऱ्या आर्कलॅम्पमध्ये ग्रॅफाइट वापरतात.

(iii) फुलरिन (Fullerene) :

• फुलरिन हे कार्बनचे अपरूप निसर्गामध्ये कमी प्रमाणात सापडते.
• C₆₀, C₇₀, C₇₆, C₈₂ व C₈₆ हे फुलरिनचे रेणू निसर्गात थोड्या प्रमाणात काजळीमध्ये आढळतात.
• फुलरिनचे रेणू बकीबॉल, बकीट्यूब्ज या स्वरूपात आढळतात.

• हे रेणू साधारणतः 30 ते 900 कार्बन अणूंनी बनलेले असतात.
• हे बऱ्याचशा द्रावकांमध्ये द्रावणीय असते. उदा., कार्बन डायसल्फाइड व क्लोरो बेंझिन.
• याचा उपयोग विसंवाहक म्हणून करतात.
• फुलरिनचा उत्प्रेरक म्हणून जलशुद्धीकरणात वापर करतात.
• एका ठरावीक तापमानाला अतिवाहकता हा गुणधर्म दर्शवतो.

अस्फटिकी अपरूपे (Non- crystalline / Amorphous forms) :  

यामध्ये कार्बनच्या अणूची रचना नियमित नसते.

कोक, कोल किंवा दगडी कोळसा ही कार्बनची अस्फटिकरूपी बहुरूपे आहेत.

दगडी कोळसा :

• हे एक जीवाश्म इंधन असून कार्बनच्या प्रमाणानुसार कोळशाचे पुढील चार मुख्य प्रकार आहेत : पीट 60% पेक्षा कमी, लिग्नाइट (60 ते 70%), बिट्युमिनस (70 ते 90%) व अॅन्थ्रासाइट (95%).
• कार्बनच्या प्रमाणानुसार कोळशापासूनच्या उष्णतानिर्मितीचे प्रमाण वाढत जाते.

उपयोग :

• कोळसा हे एक जीवाश्म इंधन आहे. याचा वापर कारखान्यात व घरात इंधन म्हणून करतात. कोक, कोलगॅस व कोलटार मिळवण्यासाठी कोळशाचा वापर करतात.
• विद्युतनिर्मितीसाठी औष्णिक विद्युत केंद्रात कोळसा वापरतात.
• दगडी कोळशातून कोल गॅस काढून घेतल्यावर उरणाऱ्या शुद्ध कोळशाला कोक म्हणतात. घरगुती इंधनात कोकचा वापर करतात.
• क्षपणकारक म्हणून याचा उपयोग करतात.
• वॉटर गॅस, प्रोड्युसर गॅसच्या निर्मितीत कोकचा वापर करतात.

हायड्रोकार्बन्स : मूलभूत सेंद्रिय संयुगे (Hydrocarbons : Basic Organic Compounds) :

• बहुतेक सेंद्रिय संयुगांत कार्बन व हायड्रोजन या मूलद्रव्यांचा समावेश असतो. या मूलभूत सेंद्रिय संयुगांना मूळसंयुगे म्हणतात. यांनाच हायड्रोकार्बन्स म्हणतात.
• कार्बनचे इलेक्ट्रॉन संरूपण 2, 4 आहे. म्हणून कार्बनची संयुजा 4 आहे. म्हणून तो दुसऱ्या कार्बनसोबत अथवा दुसऱ्या मूलद्रव्याच्या अणूसोबत चार सहसंयुज बंध (Covalent bond) तयार करतात.

सहसंयुज संयुगांचे गुणधर्म :

• सहसंयुज संयुगांचा द्रवणांक आणि उत्कलनांक कमी असतो.
• पाण्यात सहसंयुज संयुगे अद्रावणीय आणि सेंद्रिय द्रावकात द्रावणीय असतात.
• सहसंयुज संयुगे उष्णता आणि विद्युत यांचे कमी प्रमाणात वाहक असतात.

संतृप्त आणि असंतृप्त हायड्रोकार्बन (Saturated and Unsaturated Hydrocarbons) : संतृप्त हायड्रोकार्बन : कार्बन अणू एक वैशिष्ट्यपूर्ण गुणधर्म दाखवतो. ज्या हायड्रोकार्बनच्या सर्व कार्बन अणूंमध्ये फक्त एकेरी बंध असतो, त्यांना संतृप्त हायड्रोकार्बन असे म्हणतात.

• उदाहरणार्थ, इथेन (C₂H₆) म्हणजेच (CH₃- CH₃), प्रोपेन (CH₃-CH₂-CH₃).

असंतृप्त हायड्रोकार्बन : काही हायड्रोकार्बनमध्ये दोन कार्बन अणूंमध्ये दुहेरी किंवा तिहेरी बहुबंध असतो. ज्या हायड्रोकार्बनमध्ये किमान एक बहुबंध असतो, त्याला असंतृप्त हायड्रोकार्बन म्हणतात.

• उदाहरणार्थ, इथीन (H₂C=CH₂), ईथाईन (HC≡CH), प्रोपीन (CH₃-CH=CH₂), प्रोपाइन (CH₃-C≡CH).

कार्बनची विद्राव्यता (Solubility of Carbon ) :

• कार्बन कोणत्याही द्रावणात विरघळत नाही.
• कोळशाची पूड पाणी, रॉकेल व खाद्यतेल यांपैकी कोणत्याही द्रावणात विरघळत नाही.

कार्बनची ऑक्सिजन बरोबर अभिक्रिया (Reaction of Carbon with Oxygen)

C(s) +O₂(g) → CO₂(g)

कोळसा पेटल्यावर त्याची हवेतील ऑक्सिजन वायूबरोबर अभिक्रिया होते व कार्बन डायऑक्साइड (CO₂) बाहेर टाकला जातो

कार्बन डाय ऑक्साइड :

• कार्बन डायऑक्साइड रेणुसूत्र-CO₂, रेणुवस्तुमान-
• आढळ : कार्बन डायऑक्साइड मुक्त स्वरूपात हवेत 03% आढळतो.
• उच्छ्वासावाटे बाहेर पडणाऱ्या हवेत सुमारे 4% CO₂ असतो.
• खडू, शहाबादी फरशी, लाइमस्टोन यांमध्ये तो संयुग स्वरूपात आढळतो.
• लाकूड, कोळसा या जीवाश्म इंधनांच्या ज्वलनातून CO₂ तयार होतो.
• प्रयोगशाळेत, (CaCO₃) चुनखडीवर हायड्रोक्लोरिक आम्ल टाकले असता, कार्बन डायऑक्साइड वायू तयार होतो.

गुणधर्म :

• या वायूला चव, रंग, वास नाही.
• तो हवेपेक्षा जड आहे.
• पाण्यात अत्यल्प विरघळतो.
• हा वायू स्वतः ज्वलनशील नाही, तसेच ज्वलनास मदतही करीत नाही.

उपयोग :

• याचा उपयोग शीतपेयांच्या निर्मितीत, शुष्क बर्फ, धुण्याचा सोडा, खाण्याचा सोडा तयार करण्यासाठी होतो.
• कॉफीमधून कॅफिन काढून टाकण्यासाठी द्रवरूप CO₂ वापरतात.
• अग्निशमन वायू म्हणून कार्बन डायऑक्साइडचा वापर करतात. द्रा
• वक म्हणून CO₂ चा उपयोग ड्रायक्लिनिंगमध्ये केला जातो;
• याचा उपयोग वनस्पती प्रकाश-संश्लेषणासाठी करतात.

रासायनिक गुणधर्म :

• सोडिअम हायड्रॉक्साइडच्या जलीय द्रावणातून कार्बन डायऑक्साइड पाठवल्यास सोडियम कार्बोनेट मिळते. (सोडियम कार्बोनेट - धुण्याचा सोडा)

2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O

• सोडियम कार्बोनेटच्या पाण्यातील द्रावणातून CO₂ पाठवला असता सोडियम बायकार्बोनेट मिळते. (सोडिअम बायकार्बोनेट - खाण्याचा सोडा)

Na₂CO₃ + H₂O + CO₂ → 2NaHCO₃

2NaHCO₃ + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2H₂O + 2CO₂ ↑

• CO₂ च्या वायुपात्रात चुनकळी टाकल्यावर होणाऱ्या रासायनिक अभिक्रियेचे समीकरण :

H₂O  +CO₂ → H₂CO₃ (कार्बोनिक आम्ल)

Ca(OH)₂ (चुनकळी) + CO₂ → CaCO₃ (कॅल्शिअम कार्बोनेट) + H₂O

अग्निशामक यंत्र (Fire Extinguisher) :

• अग्निशामक यंत्रात सोडिअम बायकार्बोनेटची भुकटी असते. एका कुपीत विरल सल्फ्युरिक आम्ल असते.
• कळ दाबल्यावर कुपीतील आम्ल सोडिअम बायकार्बोनेटवर पडते. रासायनिक अभिक्रिया होते व त्यातून कार्बन डायऑक्साइड वायू मुक्त होऊन बाहेर पडतो.
• कार्बन डायऑक्साइड वायू जळत नाही व ज्वलनासही मदत करीत नाही. त्यामुळे जळणाऱ्या वस्तूवर कार्बन डायऑक्साइड वायू पसरल्यास हवा न मिळाल्यामुळे आग आटोक्यात येते. म्हणून आग विझवायला हा वायू उपयोगी पडतो.

2NaHCO₃ + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2H₂O + 2CO² ↑

• CO₂ अग्निशामके ही क्षरण न होणारी व वीजप्रवाह प्रतिबंधक असतात. त्यामुळे विद्युत उपकरणे व यंत्रांना लागलेल्या आगीतही अग्निशामके वापरतात.
• आधुनिक अग्निशामक यंत्रात द्रवरूप व स्थायुरूप CO₂ दाबाखाली भरलेला असतो. दाब कमी केल्यावर तो वायुरूप होऊन तो जोराने कर्ण्यासारख्या नळ्यातून बाहेर पडतो.

मिथेन - रेणुसूत्र CH₄ , रेणु वस्तुमान-16

आढळ :

• नैसर्गिक वायूमध्ये सुमारे 87% मिथेन वायू आढळतो.
• जैविक पदार्थां च्य हवेच्या अनुपस्थितीत होणाऱ्या विघटनातून हा निर्माण होतो.
• बायोगॅस मध्येही मिथेन आढळतो.
• कोळशांच्या खाणींमध्ये मिथेन आढळतो.
• दलदलीच्या पृष्ठभागावर मिथेन वायू आढळून येतो, म्हणून याला मार्श गॅस असेही म्हणतात.
• प्रयोगशाळेत हायड्रोजन व कार्बन मोनॉक्साइड यांचे मिश्रण 300⁰C ला निकेल या उत्प्रेरकाच्या उपस्थितीत तापवल्यास मिथेन वायू तयार होतो.
• शुद्ध स्वरूपातील मिथेन नैसर्गिक वायूच्या भंजक ऊर्ध्वपातनाने मिळवता येतो.

मिथेनचे भौतिक गुणधर्म :

• मिथेनचा द्रवणांक (-182.5 ⁰C )आहे.
• मिथेनचा उत्कलनांक (-161.5 ⁰C) आहे.
• हा वायू रंगहीन अहे.
• द्रवरूप मिथेनची घनता पाण्याच्या घनतेपेक्षा कमी असते.
• मिथेन पाण्यामध्ये अगदी थोड्या प्रमाणात द्रावणीय असतो तर गॅसोलिन, ईथर, अल्कोहोल यांसारख्या सेंद्रिय द्रावकांमध्ये तो जास्त द्रावणीय आहे.
• कक्ष तापमानाला मिथेन हा वायू अवस्थेत असतो.

मिथेनचे रासायनिक गुणधर्म :

(i) मिथेन हा अतिशय ज्वालाग्रही असून जळताना, ऑक्सिजनबरोबर अभिक्रिया होताना निळसर ज्योत मिळते व या अभिक्रियेतून 213 kcal/mol एवढी उष्णता बाहेर टाकली जाते. मिथेन हा वायू पूर्णत: जळतो.

CH₄ +2O₂ → CO₂ + 2H₂O + उष्णता

(ii) क्लोरिनेशन (Chlorination) : अतिनील कि रणांच्या उपस् थितीत 250⁰C ते 400⁰C तापमानाला मिथेन व क्लोरिन वायूंमध्ये अभिक्रिया होऊन प्रामुख्याने मिथिल क्लोराइड (क्लोरोमिथेन) व हायड्रोजन क्लोराइड तयार होतात. या अभिक्रियेला मिथेनचे क्लोरिनेशन म्हणतात.

CH₄ + Cl₂    CH₃Cl + HCl

मिथेनचे उपयोग :

• नैसर्गिक वायुस्वरूपातील मिथेनचा उपयोग वस्त्रोद्योग, कागदनिर्मिती, अन्नप्रक्रिया उद्योग, पेट्रोल शुद्धीकरण इत्यादी उद्योगात करतात.
• सर्वात लहान लांबीचा हायड्रोकार्बन असल्यामुळे मिथेनच्या ज्वलनातून बाहेर पडणाऱ्या CO₂ चे प्रमाण खूप कमी असते म्हणून याचा वापर घरगुती इंधन म्हणून केला जातो.
• इथेनॉल, मिथाइल क्लोराइड, मिथिलीन क्लोराइड तसेच अमोनिआ व अॅसिटीलीन या कार्बनी संयुगांच्या निर्मितीसाठी मिथेनचा वापर करतात.

बायोगॅस संयंत्र :

• जनावरांचे शेण, पालापाचोळा, ओला कचरा यांचे विनॉक्सी जीवाणूंमार्फत बायोगॅस संयंत्रामध्ये विघटन होते. त्यापासून मिथेन वायू तयार होतो. यालाच बायोगॅस म्हणतात.
• बायोगॅसमध्ये सुमारे 55 ते 60% मिथेन व उर्वरित CO2 असतो.
• बायोगॅस स्वयंपाकासाठी स्वस्त इंधन पर्याय आहे.
• गॅस तयार होताना उत्तम खतही तयार होते.
• बायोगॅस संयंत्राचा उपयोग वीजनिर्मितीसाठी सुद्धा होतो.

बायोगॅस निर्मिती : ही प्रक्रिया विनॉक्सी (Anaerobic) प्रकारची असते. ती दोन टप्प्यांमध्ये घडून येते :

• आम्ल निर्मिती (Production of acids) : कचऱ्यातील जैवविघटनयोग्य जटील सेंद्रिय संयुगांवर जीवाणू अभिक्रिया करतात व सेंद्रिय आम्ल (Organic Acids) तयार करतात.
• मिथेन वायू निर्मिती (Methane Gas Production) : मिथॅनोजेनिक जीवाणू सेंद्रीय आम्लांवर अभिक्रिया करून मिथेन वायू बनवतात.

CH₃COOH → CH₄ + CO₂ ↑