अध्याय 4: कार्बन एवं उसके यौगिक MP Board 10th Science Chapter 4 Carbon and its compound

सह-संयोजी बंध (Covalent Bond)

विवरण:
सह-संयोजी बंध वह रासायनिक बंध है जिसमें दो परमाणु अपनी बाह्यतम कक्षा के इलेक्ट्रॉनों को साझा करके स्थिरता प्राप्त करते हैं। कार्बन, अपनी चतुर्मूलता (चार बंध बनाने की क्षमता) के कारण, सह-संयोजी बंध बनाकर विविध यौगिक बनाता है।

उदाहरण:

हाइड्रोजन ( $\ce{H2}$ ):
प्रत्येक हाइड्रोजन परमाणु (1 वैलेंस इलेक्ट्रॉन) एक इलेक्ट्रॉन साझा करके एकल सह-संयोजी बंध बनाता है।
इलेक्ट्रॉन बिंदु संरचना: H• + •H → H:H ( $\ce{H2}$ )
नाइट्रोजन ( $\ce{N2}$ ):
प्रत्येक नाइट्रोजन परमाणु (5 वैलेंस इलेक्ट्रॉन) तीन इलेक्ट्रॉन साझा करके त्रि-सह-संयोजी बंध बनाता है।
इलेक्ट्रॉन बिंदु संरचना: :N≡N: ( $\ce{N2}$ )
ऑक्सीजन ( $\ce{O2}$ ):
प्रत्येक ऑक्सीजन परमाणु (6 वैलेंस इलेक्ट्रॉन) दो इलेक्ट्रॉन साझा करके द्वि-सह-संयोजी बंध बनाता है।
इलेक्ट्रॉन बिंदु संरचना: :O=O: ( $\ce{O2}$ )
अमोनिया ( $\ce{NH3}$ ):
नाइट्रोजन (5 वैलेंस इलेक्ट्रॉन) तीन हाइड्रोजन (1 वैलेंस इलेक्ट्रॉन) के साथ एकल सह-संयोजी बंध बनाता है, और एक एकाकी जोड़ा रहता है।
इलेक्ट्रॉन बिंदु संरचना: :N-H3 (नाइट्रोजन तीन H से जुड़ा, एक एकाकी जोड़ा)।

कार्बन के अपररूप (Allotropes of Carbon)

परिचय:
कार्बन विभिन्न भौतिक रूपों (अपररूपों) में पाया जाता है, जैसे हीरा, ग्रेफाइट, और C-60 बकमिंसटरफुलेरीन। इनके परमाणुओं के आबंधन के तरीके भिन्न होने से उनके गुणधर्म अलग-अलग होते हैं।

1. हीरा (Diamond):

संरचना: प्रत्येक कार्बन परमाणु चार अन्य कार्बन परमाणुओं से सह-संयोजी बंध बनाकर त्रिआयामी (3D) घनात्मक संरचना बनाता है।
गुण: सर्वाधिक कठोर, विद्युत कुचालक।
उपयोग: काटने के औजार, आभूषण।

2. ग्रेफाइट (Graphite):

संरचना: प्रत्येक कार्बन परमाणु तीन अन्य कार्बन परमाणुओं से सह-संयोजी बंध बनाकर षट्कोणीय परतें बनाता है। परतें कमजोर वैन डर वाल्स बलों से जुड़ी होती हैं।
गुण: मुलायम, फिसलनशील, विद्युत सुचालक।
उपयोग: पेंसिल की सीसे, स्नेहक।

3. C-60 बकमिंसटरफुलेरीन (Buckminsterfullerene):

संरचना: 60 कार्बन परमाणु फुटबॉल जैसी गोलाकार संरचना में, हेक्सागन और पेंटागन आकारों से जुड़े।
गुण: स्थिर, नैनो-संरचना।
उपयोग: नैनो टेक्नोलॉजी, इलेक्ट्रॉनिक्स।

गुणों की तुलना:

अपररूप	कठोरता	विद्युत चालकता	उपयोग
हीरा	अत्यंत कठोर	कुचालक	काटने के औजार, आभूषण
ग्रेफाइट	मुलायम	सुचालक	पेंसिल, स्नेहक
फुलेरीन	मध्यम	कुचालक	नैनो टेक्नोलॉजी

प्रश्न और उत्तर

प्रश्न 1: कार्बन डाइऑक्साइड ( $\ce{CO2}$ ) की इलेक्ट्रॉन बिंदु संरचना क्या होगी?

उत्तर:
कार्बन डाइऑक्साइड ( $\ce{CO2}$ ) में कार्बन दो ऑक्सीजन परमाणुओं से द्वि-सह-संयोजी बंध बनाता है।
इलेक्ट्रॉन बिंदु संरचना:
:O::C::O:
* कार्बन: 4 वैलेंस इलेक्ट्रॉन, प्रत्येक ऑक्सीजन से 2-2 इलेक्ट्रॉन साझा करके 8 इलेक्ट्रॉन।
* प्रत्येक ऑक्सीजन: 6 वैलेंस इलेक्ट्रॉन, 2 इलेक्ट्रॉन साझा, और 2 एकाकी जोड़े (4 इलेक्ट्रॉन)।

प्रश्न 2: सल्फर ( $\ce{S8}$ ) की इलेक्ट्रॉन बिंदु संरचना क्या होगी?

उत्तर:
$\ce{S8}$ में 8 सल्फर परमाणु एक अष्टकोणीय अंगूठी बनाते हैं। प्रत्येक सल्फर दो अन्य सल्फर से एकल सह-संयोजी बंध बनाता है।
संरचना (वर्णन):
:S-S-S-S-S-S-S-S: (बंद चक्र)
* प्रत्येक सल्फर: 6 वैलेंस इलेक्ट्रॉन, 2 इलेक्ट्रॉन साझा (2 $\ce{S-S}$ बंध), 4 इलेक्ट्रॉन (2 एकाकी जोड़े)।

प्रश्न 3: पेंटेन ( $\ce{C5H12}$ ) के कितने संरचनात्मक समावयव हैं?

उत्तर:
पेंटेन के तीन संरचनात्मक समावयव हैं:
1. नॉर्मल पेंटेन (n-pentane): $\ce{CH3-CH2-CH2-CH2-CH3}$
2. आइसो-पेंटेन (2-methylbutane): $\ce{CH3-CH(CH3)-CH2-CH3}$
3. नियो-पेंटेन (2,2-dimethylpropane): $\ce{C(CH3)4}$

प्रश्न 4: कार्बन यौगिकों की विशाल संख्या के लिए दो गुण

उत्तर:
1. श्रृंखलन (Catenation): कार्बन परमाणु आपस में जुड़कर लंबी शृंखलाएँ या वलय बनाते हैं।
2. चतुर्मूलता (Tetravalency): कार्बन चार सह-संयोजी बंध बनाता है।

प्रश्न 5: साइक्लोपेंटेन ( $\ce{C5H10}$ ) का सूत्र और इलेक्ट्रॉन बिंदु संरचना

उत्तर:
* सूत्र: $\ce{C5H10}$
* इलेक्ट्रॉन बिंदु संरचना (वर्णन): 5 कार्बन परमाणु एक चक्रीय अंगूठी बनाते हैं। प्रत्येक कार्बन 2 अन्य कार्बन से एकल बंध ( $\ce{C-C}$ ) और 2 हाइड्रोजन से एकल बंध ( $\ce{C-H}$ ) बनाता है। प्रत्येक कार्बन के चारों ओर 8 इलेक्ट्रॉन (4 बंध)।

प्रश्न 6: निम्न यौगिकों की संरचनाएँ

(i) एथेनॉइक अम्ल ( $\ce{CH3COOH}$ ):
CH3-C(=O)-OH
* कार्बन 1: 3 $\ce{H}$ , 1 $\ce{C}$ से बंध।
* कार्बन 2: 1 $\ce{O}$ से द्वि-बंध ( $\ce{C=O}$ ), 1 $\ce{OH}$ से एकल बंध ( $\ce{C-O}$ )।

(ii) ब्रोमोमीथेन ( $\ce{CH3Br}$ ):
CH3-Br
* कार्बन: 3 $\ce{H}$ , 1 $\ce{Br}$ से एकल बंध।

(iii) ब्यूटेनोन ( $\ce{CH3COCH2CH3}$ ):
CH3-C(=O)-CH2-CH3
* कार्बन 2: 1 $\ce{O}$ से द्वि-बंध ( $\ce{C=O}$ ), 2 $\ce{CH3}$ समूहों से एकल बंध।

(iv) हेक्सनॉल ( $\ce{C6H13OH}$ ):
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-OH
* कार्बन 1: 2 $\ce{H}$ , 1 $\ce{OH}$ , 1 $\ce{C}$ से बंध।

उप-प्रश्न: क्या ब्रोमोमीथेन के संरचनात्मक समावयव संभव हैं?
* उत्तर: नहीं, $\ce{CH3Br}$ का कोई संरचनात्मक समावयव नहीं, क्योंकि इसमें केवल 1 कार्बन है।

प्रश्न 7: निम्न यौगिकों का नामकरण

(i) $\ce{CH3-CH2-Br}$ :
ब्रोमोइथेन (2 कार्बन, ब्रोमीन पहले कार्बन पर)।

(ii) $\ce{H-C=O}$ :
मेथेनल (फॉर्मल्डिहाइड, 1 कार्बन के साथ एल्डिहाइड समूह)।

(iii) $\ce{H-C-C#C-C-H}$ :
ब्यूट-1-इन (4 कार्बन, त्रि-बंध पहले और दूसरे कार्बन के बीच)।

प्रश्न 8: एथेनॉल से एथेनॉइक अम्ल में परिवर्तन को ऑक्सीकरण क्यों कहते हैं?

उत्तर:
* एथेनॉल ( $\ce{C2H5OH}$ ) से एथेनॉइक अम्ल ( $\ce{CH3COOH}$ ) में ऑक्सीजन का संयोजन और हाइड्रोजन का ह्रास होता है।
* प्रक्रिया: एथेनॉल → एसीटल्डिहाइड ( $\ce{CH3CHO}$ ) → एथेनॉइक अम्ल।
* समीकरण:
$\ce{C2H5OH + [O] -> CH3CHO + H2O}$
$\ce{CH3CHO + [O] -> CH3COOH}$
* ऑक्सीकारक: $\ce{KMnO4}$ या $\ce{K2Cr2O7}$ ।

प्रश्न 9: एथाइन और ऑक्सीजन का उपयोग वेल्डिंग में क्यों?

उत्तर:
* एथाइन ( $\ce{C2H2}$ ) और शुद्ध ऑक्सीजन ( $\ce{O2}$ ) का दहन ~3000°C तापमान देता है।
* समीकरण: $\ce{2C2H2 + 5O2 -> 4CO2 + 2H2O}$
* वायु (21% $\ce{O2}$ ) कम तापमान देती है और अशुद्धियाँ पैदा करती है।

प्रश्न 10: ऐल्कोहॉल और कार्बोक्सिलिक अम्ल में प्रयोग द्वारा अंतर

उत्तर:
1. $\ce{NaHCO3}$ परीक्षण:
• कार्बोक्सिलिक अम्ल ( $\ce{CH3COOH}$ ): $\ce{CO2}$ बनाता है।
$\ce{RCOOH + NaHCO3 -> RCOONa + H2O + CO2 \uparrow}$
• ऐल्कोहॉल ( $\ce{C2H5OH}$ ): कोई अभिक्रिया नहीं।
2. लिटमस परीक्षण:
• कार्बोक्सिलिक अम्ल: नीले लिटमस को लाल।
• ऐल्कोहॉल: तटस्थ।
3. एस्टरीकरण:
• कार्बोक्सिलिक अम्ल: $\ce{RCOOH + R'OH -> RCOOR' + H2O}$ ।

प्रश्न 11: ऑक्सीकारक क्या हैं?

उत्तर:
* ऑक्सीकारक: इलेक्ट्रॉन ग्रहण करते हैं या ऑक्सीजन प्रदान करते हैं।
* उदाहरण: $\ce{KMnO4, K2Cr2O7, HNO3, H2O2}$
* उपयोग: $\ce{C2H5OH -> CH3COOH}$

प्रश्न 12: डिटरजेंट से जल की कठोरता

उत्तर:
* प्रयोग: जल + डिटरजेंट → हिलाएँ।
• नरम जल: अच्छी झाग।
• कठोर जल: झाग बनता है, लेकिन साबुन जितना अंतर नहीं।
* नोट: साबुन बेहतर, क्योंकि कठोर जल में अवक्षेप बनाता है।

प्रश्न 13: कपड़े रगड़ने की आवश्यकता

उत्तर:
* गंदगी हटाना: रगड़ने से रेशों से गंदगी ढीली होती है।
* साबुन की क्रिया: माइसेल बनाकर गंदगी हटाना तेज होता है।
* कठिन दाग: रगड़ने से टूटते हैं।

प्रश्न 14: एथेन ( $\ce{C2H6}$ ) में सह-संयोजी बंध

उत्तर:
* $\ce{H3C-CH3}$ : 1 $\ce{C-C}$ , 6 $\ce{C-H}$ ।
* कुल: 7 सह-संयोजी बंध।
विकल्प: (ख)

प्रश्न 15: ब्यूटेनोन का प्रकार्यात्मक समूह

उत्तर:
* $\ce{CH3COCH2CH3}$ : कीटोन ( $\ce{>C=O}$ )।
विकल्प: (ग)

प्रश्न 16: बर्तन की तली काली होने का कारण

उत्तर:
* अपूर्ण दहन → कालिख ( $\ce{C}$ )।
विकल्प: (ख)

प्रश्न 17: $\ce{CH3Cl}$ में सह-संयोजी बंध

उत्तर:
* कार्बन: 3 $\ce{C-H}$ , 1 $\ce{C-Cl}$ (सह-संयोजी)।
* $\ce{C-Cl}$ : ध्रुवीय सह-संयोजी (क्लोरीन अधिक विद्युत ऋणात्मक)।

प्रश्न 18: इलेक्ट्रॉन बिंदु संरचनाएँ

(क) एथेनॉइक अम्ल ( $\ce{CH3COOH}$ ):
CH3-C(=O)-OH
* $\ce{C=O}$ : 4 बिंदु, $\ce{C-O, O-H, C-C, C-H}$ : 2 बिंदु, ऑक्सीजन पर एकाकी जोड़े।

(ख) $\ce{H2S}$ :
H:S:H
* 2 $\ce{S-H}$ : 2 बिंदु, सल्फर पर 2 एकाकी जोड़े।

(ग) प्रोपेनोन ( $\ce{CH3COCH3}$ ):
CH3-C(=O)-CH3
* $\ce{C=O}$ : 4 बिंदु, $\ce{C-C, C-H}$ : 2 बिंदु, ऑक्सीजन पर 2 एकाकी जोड़े।

(घ) $\ce{F2}$ :
:F:F:
* 1 $\ce{F-F}$ : 2 बिंदु, प्रत्येक फ्लोरीन पर 3 एकाकी जोड़े।

प्रश्न 19: समजातीय श्रेणी

उत्तर:
* समान प्रकार्यात्मक समूह, $\ce{CH2}$ इकाई अंतर।
* उदाहरण: ऐल्केन ( $\ce{CH4, C2H6, C3H8, C4H10}$ )।

प्रश्न 20: एथनॉल और एथेनॉइक अम्ल में अंतर

उत्तर:
* भौतिक:
• एथनॉल: तीखी गंध, 78°C, तटस्थ।
• एथेनॉइक अम्ल: सिरके जैसी गंध, 118°C, अम्लीय।
* रासायनिक:
• लिटमस: एथेनॉइक अम्ल नीले लिटमस को लाल।
• $\ce{NaHCO3}$ : एथेनॉइक अम्ल → $\ce{CO2}$ ।
• ज्वलन: एथनॉल नीली लौ।

प्रश्न 21: साबुन में मिसेल निर्माण

उत्तर:
* साबुन: जलरागी (-COO⁻Na⁺), जलविरागी (हाइड्रोकार्बन)।
* जल में: जलविरागी अंदर, जलरागी बाहर → मिसेल।
* एथनॉल में: नहीं, क्योंकि एथनॉल दोनों भागों को घोलता है।

प्रश्न 22: कार्बन यौगिक ईंधन के रूप में

उत्तर:
* उच्च ऊष्मीय मान।
* दहन: $\ce{CO2, H2O}$ ।
* उदाहरण: $\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}$ ।

प्रश्न 23: कठोर जल और साबुन

उत्तर:
* कठोर जल: $\ce{Ca^2+, Mg^2+}$ → अवक्षेप ( $\ce{(RCOO)2Ca}$ )।
* अधिक साबुन: मिसेल → झाग।

प्रश्न 24: साबुन का लिटमस परीक्षण

उत्तर:
* साबुन: क्षारीय ( $\ce{OH^-}$ )।
* लाल लिटमस: नीला।
* नीला लिटमस: नीला।

प्रश्न 25: हाइड्रोजनीकरण

उत्तर:
* असंतृप्त हाइड्रोकार्बन में $\ce{H2}$ जोड़ना।
* उदाहरण: $\ce{C2H4 + H2 -> C2H6}$
* उपयोग: तेल → ठोस वसा।

प्रश्न 26: संकलन अभिक्रिया

उत्तर:
* $\ce{C2H4, C3H6, C2H2}$ : असंतृप्त, संकलन।
* $\ce{C3H8, CH4}$ : संतृप्त, नहीं।

प्रश्न 27: संतृप्त vs असंतृप्त

उत्तर:
* ब्रोमीन जल:
• संतृप्त: नारंगी।
• असंतृप्त: रंगहीन ( $\ce{C2H4 + Br2 -> C2H4Br2}$ )।

प्रश्न 28: साबुन की सफाई प्रक्रिया

उत्तर:
* साबुन: जलरागी और जलविरागी भाग।
* मिसेल: गंदगी को घेरता है।
* रगड़ना: गंदगी हटाता है।