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

कार्बनचा अणू इतर अणूंबरोबर सहसंयुज बंध करतो. ह्या बंधामध्ये दोन अणूंमध्ये इलेक्ट्रॉनची भागीदारी होते.

संपृक्त हायड्रोकार्बनमध्ये सर्व कार्बन कार्बन बंध हे एकेरी असतात.

असंपृक्त हायड्रोकार्बनमध्ये किमान एक बंध हा बहुबंध असतो.

सर्व सेंद्रिय पदार्थांमध्ये अत्यावश्यक असलेले मूलद्रव्य कार्बन हे होय.

हायड्रोजन हे मूलद्रव्य बहुतेक सेंद्रिय पदार्थांमध्ये असते.

इंधनांचे वर्गीकरण त्यांच्या भौगोलिक स्थितीनुसार पुढील प्रकारे केले जाते :

• स्थायू इंधने : लाकूड, कोळसा, कोक.
• द्रव इंधने : केरोसीन, इथेनॉल, कार्बन, पेट्रोल, डिझेल.
• वायू इंधने : मिथेन, लिक्विफाइड पेट्रोलिअम गॅस (P.G.) , नॅचरल गॅस - मिथेन, इथेन, प्रोपेन, वॉटर गॅस - कार्बन मोनॉक्साइड व हायड्रोजन, प्रोड्यूसर गॅस -कार्बन मोनॉक्साइड.

वरील सर्व प्रमुख ज्वलनशील घटक कार्बन व त्याची संयुगे आहेत.

• कार्बन व त्याच्या संयुगांमध्ये असलेल्या उच्च हायड्रोजन आणि कार्बन सामग्रीमुळे, ते लक्षणीय उष्णतेसह ज्वलन प्रदान करतात.
• इंधन-दर्जाची कार्बन संयुगे कार्य करण्यास सरळ असतात आणि त्यांच्यात उच्च उष्मांक मूल्ये आणि आदर्श प्रज्वलन तापमान असते.
• त्यांचे ज्वलनावर नियंत्रण असते. त्यामुळे कार्बन आणि त्याचे घटक इंधन म्हणून वापरले जातात.

संयुक्तावस्थेत कार्बन पुढील संयुगांच्या स्वरूपात आढळतो :

• हवेतील कार्बन डायऑक्साइड, कार्बोनेटच्या स्वरूपात उदा., कॅल्शिअम कार्बोनेट, मार्बल, कॅलामाइन (ZnCO₃)
• जीवाश्म इंधने उदा., दगडी कोळसा, पेट्रोलिअम, बायोगॅस, नैसर्गिक वायू
• कार्बनी पोषद्रव्ये उदा., पिष्टमय पदार्थ, प्रथिने, मेद
• नैसर्गिक धागे, मुती कपडे, लोकर इत्यादी. रेशीम, नायलॉन, टेरिलिन.

• 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.

ग्रॅफाइट हे मऊ, राखाडी काळ्या रंगाचे कार्बनचे अपरूप आहे. ग्रॅफाइट एक उत्तम विद्युतवाहक आहे. याचे कारण म्हणजे ग्रॅफाइटची अणु संरचना. ग्रॅफाइट हा कार्बनच्या अणूंचा बनलेला असतो. त्याच्या संरचनेत, प्रत्येक कार्बन अणू इतर तीन कार्बन अणूंना जोडलेला असतो, ज्यामुळे एक पातळ स्तर- प्रतलीय षट्कोनी रचना तयार होते. हे स्तर एकमेकांवर ठेवलेले असतात. प्रत्येक कार्बन अणूचा एक इलेक्ट्रॉन मुक्त असतो आणि हे इलेक्ट्रॉन ह्या पातळ स्तरांमध्ये मुक्तपणे हलू शकतात. ह्यामुळेच ग्रॅफाइट विद्युतवाहक असतो.

• ग्रॅफाइटचा वापर दागिन्यांमध्ये सहसा केला जात नाही. याचे प्रमुख कारण म्हणजे ग्रॅफाइटची भौतिक गुणधर्म.
• ग्रॅफाइट एक कमी कठोरता असलेला पदार्थ आहे आणि तो सहज तुटतो किंवा गुळगुळीत होतो. दागिन्यांमध्ये वापरण्यासाठी पदार्थ कठोर, टिकाऊ आणि आकर्षक असावे लागतात. त्यामुळेच, ग्रॅफाइटला दागिन्यांमध्ये उपयोगात आणले जात नाही.

पुन्याज्या निवळीतून कार्बन डायऑवसाइड वायू प्रवाहित केला असता, अद्रावणीय असे पांढऱ्या रंगाचे कॅल्शिअम कार्बोनेट तयार होते. यामुळे चुन्याची निवळी दुधाळ होते.

• बायोगॅसमध्ये सुमारे 55 ते 60% मिथेन व उर्वरित भाग कार्बन डायऑक्साइड असतो.
• बायोगॅस हा स्वयंपाकाच्या इंधनाची मागणी भागवणारे अतिशय स्वस्त व वापरासाठी सोईचे इंधन आहे.
• हे इंधन चटकन जळते आणि तत्परतेने उष्णता निर्गाण करते.
• याचे ज्वलन सोप्या पद्धतीने नियंत्रित करता येते.
• याच्या ज्वलनापासून कोणत्याही प्रकारचा स्थायू कचरा (राख इत्यादी) शिल्लक राहत नाही.
• या इंधनाचे स्थानांतर सहज करता येते. ठरावीक अंतरावरही नळांद्वारे याचा पुरवठा करता येतो.
• वायू इंधनाची उष्णता निर्मिति क्षमता उच्च असते. म्हणून बायोगॅस हे पर्यावरणस्नेही इंधन आहे.

• कार्बनच्या स्फटिक रूपातील अणूंची रचना नियमित आणि निश्चित असते.
• हिऱ्यात प्रत्येक कार्बन अणू हा शेजारील चार कार्बन अणूंशी सहसंयुज बंधाने बांधलेला असतो; त्यामुळे तो टणक व चतुष्कोनातील त्रिमितीय रचना देतो. ग्रॅफाइटमध्ये प्रत्येक कार्बन अणू इतर तीन कार्बन अणूंसोबत अशा प्रकारे बंधित असतो की, त्यामुळे त्याची प्रतलीय षट्कोनी रचना तयार होते.
• फुलरिन कार्बन-60 अणू हे पंचकोनी आणि षट्कोनी मांडणीच्या रूपात एकमेकांशी बांधलेले असतात. त्यामुळे फुलरिनच्या रेणूंच्या रचनेला फूटबॉलचा आकार प्राप्त होतो. फुलरिनचे रेणू बकीबॉल, बकीट्यूब्ज या स्वरूपात आढळतात.
• म्हणून हिरा, ग्रॅफाइट व फुलरिन यांना निश्चित भौमितिक रचना, तीक्ष्ण कडा व सपाट पृष्ठभाग असल्याने ही कार्बनची स्फटिकी रूपे आहेत.

मिथेन वायू मृत प्राणी व वनस्पतीच्या अपघटनाने दलदलीच्या पृष्ठभागावर बुडबुड्यांच्या रूपात तयार होतो. म्हणून मिथेनला मार्श गॅस म्हणतात.

• समुद्रातील किंवा जमिनीवरून समुद्रात वाहत असलेल्या जीवांचे मृतावशेष समुद्राच्या तळाशी साठतात. त्यावर वाळू व माती यांचे थर जमा होतात.
• या अवशेषावर प्रचंड उष्णता, प्रचंड दाब व काही उत्प्रेरण क्रिया यामुळे लक्षावधी वर्षाच्या काळात त्यांचे पेट्रोलिअममध्ये रूपांतर होते आणि पेट्रोलिअमचे भागश: ऊर्ध्वपातन करून पेट्रोल, डिझेल तयार होते. म्हणून पेट्रोल, डिझेल ही जीवाश्म इंधने आहेत.
• दगडी कोळसा हेदेखील एक जीवाश्म इंधन आहे. लक्षावधी वर्षांपूर्वी भूपृष्ठाखाली गाडल्या गेलेल्या प्राण्यांच्या व वनस्पतींच्या अवशेषांपासून दगडी कोळसा तयार झाला आहे. यात अस्फटिकी कार्बन व मूळ वनस्पतीपासून तयार झालेली गुंतागुंतीची कार्बनी संयुगे आहेत.

कार्बनच्या हिरा, ग्रॅफाइट, फुलरिन, कोल, कोक अशा विविध अपरूपांचे उपयोग खालीलप्रमाणे:

हिऱ्याचे उपयोग:

• काच कापण्याच्या व खडकाला छिद्र पाडण्याच्या उपकरणांत हिरे वापरतात.
• अलंकार तयार करण्यासाठी हिऱ्याचा उपयोग होतो.
• डोळ्यांची शस्त्रक्रिया करण्याच्या उपकरणांमध्ये हिऱ्याचा वापर करतात.
• हिऱ्याच्या भुकटीचा वापर दुसऱ्या हिऱ्यांना चकाकी देण्यासाठी करतात.
• हिनयाचा उपयोग अवकाशात व कृत्रिम उपग्रहांमध्ये प्रारणापासून संरक्षण देणाऱ्या खिडक्या तयार करण्यासाठी करतात.

ग्रॅफाइटचे उपयोग:

• ग्रॅफाइटचा उपयोग वंगण तयार करण्यासाठी करतात.
• कार्बन इलेक्ट्रोड तयार करण्यासाठी ग्रॅफाइटचा वापर करतात.
• ग्रॅफाइटचा वापर लिहिण्याच्या पेन्सिलमध्ये केला जातो.
• रंग, पॉलिश यांच्यातही ग्रॅफाइटचा वापर करतात.
• खूप प्रकाश देणाऱ्या आर्क लॅम्पमध्ये ग्रॅफाइट वापरतात.

फुलरिनचे उपयोग:

• फुलरिनचा उपयोग विसंवाहक म्हणून करतात.
• जलशुद्धीकरणात फुलरिनचा उत्प्रेरक म्हणून वापर करतात.
• एका ठरावीक तापमानाला फुलरिन अतिवाहकता हा गुणधर्म दाखवतो.

कोळशाचे उपयोग:

• कारखान्यात व घरामध्ये कोळसा इंधन म्हणून वापरतात.
• कोक, कोल गॅस व कोल टार मिळवण्यासाठी कोळशाचा वापर करतात.
• विद्युत निर्मितीसाठी औष्णिक विद्युत केंद्रात कोळसा वापरतात.
• जलशुद्धीकरण तसेच सेंद्रिय पदार्थांच्या शुद्धीकरणासाठी चारकोल वापरतात.

कोकचे उपयोग:

• घरगुती इंधन म्हणून वापरतात.
• क्षपणकारक म्हणून कोकचा उपयोग करतात.
• वॉटर गॅस (CO + H₂) व प्रोड्युसर गॅस (CO + H₂ + CO₂ + N₂) ह्या वायुरुप इंधनाच्या निर्मितीत कोकचा उपयोग करतात.

• कार्बन डायऑक्साइड वायू (CO₂) ज्वलनशील नाही व ज्वलनाला मदतही करीत नाही.
• तो विषारी नाही.
• तो हवेपेक्षा जड आहे.
• यामुळे तो जळत्या वस्तूवर फवारला असता, तो जळणाऱ्या वस्तूवर पसरतो व जळत्या पृष्ठभागापासून हवा दूर ढकलतो, त्यामुळे CO₂ वायूचा उपयोग अग्निशामक यंत्रात होतो.

• CO₂ चा 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.
• द्रावक म्हणून CO₂ चा उपयोग ड्रायक्लिनिंगमध्ये केला जातो;
• याचा उपयोग वनस्पती प्रकाश-संश्लेषणासाठी करतात.

• हिरा हा तेजस्वी व शुद्ध कठीण पदार्थ आहे.
• याची घनता 5 g/cm3 आहे.
• हिऱ्याचा द्रवणांक 3500 ^oC आहे.
• उच्च तापमानाला ऑक्सिजनच्या सान्निध्यात हिरा तापवल्यास त्यातून CO₂ बाहेर पडतो.
• हिरा विद्युत दुर्वाहक आहे.
• हिऱ्यावर आम्ल किंवा अल्कली यांचा परिणाम होत नाही.

• चारकोलमध्ये अस्फटिकी कार्बन व गुंतागुंतीची कार्बनी संयुगे असतात.
• यात काही प्रमाणात बाष्पनशील पदार्थही असतात.
• याचे ज्वलन होत असताना धूर होतो.
• कोकपेक्षा याची उष्णतानिर्मिती क्षमता कमी आहे.

• कार्बनच्या स्फटिक रूपातील अणूंची रचना नियमित आणि निश्चित असते.
• यांना निश्चित उच्च द्रवणांक व उत्कलनांक असतात.
• स्फटिक रूप कार्बनी पदार्थांना भौमितिक रचना तीक्ष्ण कडा व सपाट पृष्ठभाग असतात.

CH₄ + 2O₂ →CO₂ + 2H₂O + उष्णता

CH₄ + Cl₂  → CH₃Cl + HCl

2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃+ H₂O

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.

ग्रॅफाइट विद्युतवाहक आहे हे सिद्ध करणे.

साहित्य: ग्रॅफाइटचा तुकडा, विद्युतवाहक तारा, बॅटरी/सेल, लहान बल्ब.

कृती:

एकसर जोडणी करा : ग्रॅफाइट तुकड्याची दोन्ही टोके विद्युत तारांनी जोडा. तारेचे एक टोक सेलला/बॅटरीला व दुसरे टोक छोटया बल्बला जोडा. बल्बची दुसरी बाजू व बॅटरीची दुसरी बाजू आणखी एका छोटया तारेने जोडा. परिपथात विद्युत प्रवाह सुरू करा व निरीक्षण करा.

आकृती:

निरीक्षण: परिपथात असलेला विद्युत बल्ब प्रकाशित होतो.

अनुमान/निष्कर्ष: ह्या प्रयोगावरून असे सिद्ध होते, की ग्रॅफाइट हे विद्युत सुवाहक आहे.

कार्बन अपरूपता प्रदर्शित करते. हे एकापेक्षा जास्त रूपांत अस्तित्वात आहे. या विविध रूपांचे रासायनिक गुणधर्म समान आहेत परंतु त्यांचे भोतिक गुणधर्म भिन्न आहेत.

कार्बन अपरूपचे दोन रूप आहेतः स्फटिक रूप आणि अस्फटिक रूप.

(I)  स्फटिक रूप:

• स्फटिक रूपातील अणूंची रचना नियमित निश्चित असते.
• यांचे द्रवणांक व उत्कलनांक उच्च असतात.
• स्फटिक रूपातील पदार्थांना निश्चित भौमितिक रचना, तीक्ष्ण कडा व सपाट पृष्ठभाग असतात.
  • उदाहरणे: हिरा, ग्रॅफाइट,फुलरिन

(ii) अस्फटिक रूप: कार्बन अणूंची रचना अनियमित असते. उदाहरणे: दगडी कोळसा, चारकोल, कोक.

कार्बन हे मूलद्रव्य अपरूपता दर्शवते. कार्बनची दोन अपरूपे आहेत : (1) स्फटिक रूप (2) अस्फटिक रूप.

(1) स्फटिक रूप : कार्बनची तीन स्फटिकी बहुरूपे आहेत :

• हिरा : हिऱ्यात प्रत्येक कार्बन अणूहा शेजारील चार कार्बन अणूंशी सहसंयुज बंधाने बांधलेला असतो. जसे की ते नियमित टेट्राहेड्रॉन बनतात.
• ग्रॅफाइट : ग्रॅफाइटमध्ये, एकाच स्फटिकाचे अणू एकाच प्रतलीय षटकोनी रचनमध्ये व्यवस्थित केले जातात. समांतर रेणूंमध्ये दोन एकल स्फटिकाच्या कार्बन अणूंमधील बंध कमकुवत असतात.
• फुलरिन : बकमिन्स्टर फुलेरीन हा साठ कार्बन अणूंचा एक समूह आहे जो फुटबॉलच्या स्वरूपात मांडला जातो.

(2) अस्फटिक रूप : कार्बनची पुढील अस्फटिकी रूपे आहेत :

• दगडी कोळसा : वनस्पतींचे मृत अवशेष जेव्हा जमिनीत गाडले जातात तेव्हा ते तेथे असलेल्या उच्च तापमान आणि दाबाच्या परिस्थितीमुळे विघटित होतात. साधारणपणे चार प्रकारचे कोळशाचे साठे अस्तित्वात आहेत. (I) पीट (60% पेक्षा कमी कार्बन प्रमाण), (II) लिग्नाइट (60%-70% कार्बन प्रमाण), (III) बिट्युमिनस (70% - 90% कार्बन प्रमाण), (IV) अॅन्थ्रासाइट (95% कार्बन प्रमाण).
• चारकोल: हा प्राण्यांच्या हाडांपासून तसेच लाकडाच्या ज्वलनातून तयार होतो.
• कोक: दगडी कोळशातून कोल गॅस काढून घेतल्यावर उरणाऱ्या शुद्ध कोळशाला कोक म्हणतात.

• जळती मेणबत्ती कार्बन डायऑक्साइडच्या वायुपात्रात ठेवली असता ती विझते; म्हणून CO₂ हा ज्वलनशील नाही व ज्वलनास मदतही करीत नाही.
• कार्बन डायऑक्साइड असलेल्या वायुपात्रात चुन्याची निवळी टाकल्यास ती दुधाळ बनते. यात अद्रावणीय कॅल्शिअम कार्बोनेट तयार होते. यावरून CO₂ चे अस्तित्व ओळखता येते.
• सोडिअम हायड्रॉक्साइडच्या जलीय द्रावणातून कार्बन डायऑक्साइड पाठवल्यास सोडियम कार्बोनेट मिळते. (सोडियम कार्बोनेट - धुण्याचा सोडा)

2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O

• निळा व लाल लिटमस ओला करून CO₂ च्या वायुपात्रात टाकला असता, निळा लिटमस लाल होतो. यावरून CO₂ हे आम्लधर्मी ऑक्साइड आहे हे सिद्ध होते. मात्र ओल्या लाल लिटमसमध्ये कोणताच बदल होत नाही.