कार्बन

कार्बन एक अधात्विक तत्व है जो प्रकृति में विभिन्न रूपों में पाया जाता है।

• कार्बन के रूप:
• लकड़ी के जलने से प्राप्त काला पदार्थ (काजल या चारकोल)।
• पेंसिल की छीलन को गर्म करने पर प्राप्त काला पदार्थ (चारकोल)।
• शर्करा से बना चारकोल (शर्करा चारकोल)।
• हड्डियों से बना चारकोल (हड्डी चारकोल)।
• ग्रेफाइट, कोयला और हीरा भी कार्बन के ही रूप हैं।

• कार्बन के विभिन्न रूपों के गुण (सारणी 6.1 का सारांश):

| गुणधर्म | हीरा | ग्रेफाइट | कोयला | काजल | लकड़ी का चारकोल | |:---------------|:-------------------|:----------------------|:-------------------|:------------------|:------------------| | बाहरी रूप | रंगहीन, पारदर्शक, क्रिस्टल, चमकता हुआ | चमकदार, काला, ठोस, फिसलनदार | काला, परतदार | काला पाउडर | काला | | कठोरता | कठोरतम | मृदु, चिकना | मुलायम | मुलायम | मुलायम | | विद्युत चालकता | कुचालक | सुचालक | कुचालक | कुचालक | कुचालक | | ऊष्मा चालकता | बहुत अधिक चालक | सामान्य चालक | कुचालक | कुचालक | कुचालक |

• महत्वपूर्ण अवलोकन:
• कार्बन के विभिन्न रूपों के भौतिक गुण भिन्न-भिन्न होते हैं।
• यदि इन्हें पर्याप्त हवा में जलाया जाए, तो सभी कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) बनाते हैं।
• इसका अर्थ है कि इनके रासायनिक गुण समान होते हैं।

• अपररूपता (Allotropy):
• परिभाषा: एक ही तत्व के ऐसे अलग-अलग रूप, जिनके भौतिक गुण भिन्न-भिन्न होते हैं, किंतु रासायनिक गुण समान होते हैं, अपररूप कहलाते हैं।
• किसी तत्व की एक ही अवस्था का विभिन्न रूपों में पाया जाना अपररूपता कहलाता है।
• कार्बन के अलावा, फॉस्फोरस, सल्फर और टिन भी ठोस अवस्था में अपररूपता दर्शाते हैं।

• खोज: 1985 में रसायनज्ञों ने ग्रेफाइट को अत्यधिक उच्च ताप पर गर्म करके कार्बन का एक नया अपररूप बनाया।
• संरचना: इसका अणु गोलीय होता है, जिसमें 60 कार्बन परमाणु (C₆₀) एक-दूसरे से जुड़े होते हैं, जो फुटबॉल जैसी संरचना बनाते हैं।
• नामकरण: अमेरिकी वास्तुकार बकमिन्सटर फुलर के नाम पर इसे फुलरीन नाम दिया गया।
• उपस्थिति: प्रकृति में उल्का द्वारा बने गड्ढों में और प्राचीन चट्टानों में भी फुलरीन पाए गए हैं।
• अन्य फुलरीन: C₇₀, C₉₀, C₁₂₀ कार्बन परमाणुओं वाली फुलरीनों की भी खोज हो चुकी है।
• भविष्य के उपयोग:
• अतिचालक
• अर्द्धचालक
• स्नेहक
• उत्प्रेरक
• विद्युत तार के निर्माण में
• C₆₀ आधारित यौगिक एड्स की रोकथाम में सहायक हो सकते हैं।

• हीरा (Diamond):
• चमक के कारण बहुमूल्य रत्न, आभूषणों में उपयोग।
• सबसे कठोर पदार्थ होने के कारण कांच काटने और कठोर पत्थरों में छेद करने वाले औजारों में।
• शल्य चिकित्सा के उपकरणों (चाकू आदि) में।

• ग्रेफाइट (Graphite):
• पेंसिल के लेड बनाने में।
• उच्च गलनांक के कारण उच्च ताप सह क्रूसीबल (छोटा पात्र) बनाने में।
• विद्युत सुचालक होने के कारण इलेक्ट्रोड के रूप में शुष्क सेलों में।
• काला पेंट और छपाई की स्याही बनाने में।
• प्लास्टिक के साथ मिलकर हल्का और मजबूत पदार्थ बनाता है, जिसका उपयोग मछली पकड़ने की बंशी, साइकिलों के फ्रेम, अंतरिक्ष यानों के पुर्जे, डिश एंटिना और टेनिस रैकेट बनाने में।
• पेंसिल लेड निर्माण: ग्रेफाइट के महीन चूर्ण को बारीक मिट्टी और मोम के साथ मिलाकर पेस्ट बनाया जाता है, फिर पतली छड़ें बनाकर सुखाया जाता है।

• काजल (Lamp Black):
• स्याही और काला रंग बनाने में।
• टायर और प्लास्टिक में पूरक के रूप में, उनकी मजबूती और रंग सुधारने के लिए।

• कोयला (Coal):
• ईंधन के रूप में ऊर्जा उत्पादन के लिए।
• कुछ धातुओं जैसे लोहे के निष्कर्षण में।

• लकड़ी का चारकोल (Wood Charcoal):
• छिद्रित संरचना के कारण गंध के अवशोषण के लिए।
• शक्कर को रंगहीन बनाने में तथा तेल एवं वसा से रंगीन अशुद्धियों को हटाने में।

कार्बन एक अधात्विक तत्व है जो प्रकृति में विभिन्न रूपों में पाया जाता है और सभी सजीवों (जंतुओं एवं वनस्पतियों) का एक महत्वपूर्ण अवयव है।

• दैनिक जीवन में कार्बन की उपस्थिति:
• कागज, रबर, लकड़ी, टायर, पेंसिल, कपड़े, तेल, साबुन और ईंधन।

• कार्बन की अवस्थाएँ:
• मुक्त अवस्था: कार्बन अन्य तत्वों के साथ रासायनिक रूप से बंधा नहीं होता।
• उदाहरण: हीरा, ग्रेफाइट, कोयला।
• संयुक्त अवस्था: कार्बन अन्य तत्वों (जैसे ऑक्सीजन, हाइड्रोजन, कैल्शियम) के साथ मिलकर विभिन्न यौगिक बनाता है।
• कैल्शियम कार्बोनेट: चूना पत्थर, खड़िया और संगमरमर के रूप में।
• भोजन के घटक: कार्बोहाइड्रेट, वसा, प्रोटीन, विटामिन (शरीर को ऊर्जा प्रदान करते हैं)।
• हाइड्रोकार्बन: कार्बन, हाइड्रोजन से अलग-अलग अनुपातों में संयुक्त होकर मीथेन, एथेन आदि बनाता है।
• उदाहरण: प्राकृतिक गैस, रसोई गैस (LPG), गोबर गैस, पेट्रोल, डीजल, मिट्टी का तेल, पैराफिन मोम और कोलतार।

• ईंधन के रूप में कार्बन: कार्बन के कुछ अपररूपों और यौगिकों का उपयोग ईंधन के रूप में किया जाता है।
• घरों में प्रयुक्त ईंधन: रसोई गैस (LPG), मिट्टी का तेल, लकड़ी, कोयला।

• दहन (Combustion):
• एक रासायनिक प्रक्रिया जिसमें कोई पदार्थ ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया करके ऊष्मा और प्रकाश के रूप में ऊर्जा उत्पन्न करता है।
• उदाहरण: लकड़ी, मोमबत्ती, कोयले का जलना।

• दहनशील पदार्थ (Combustible Substances):
• वे पदार्थ जो वायु की ऑक्सीजन से संयोग करके ऊष्मा और प्रकाश उत्पन्न करते हुए जलते हैं।
• उदाहरण: मैग्नीशियम, कोयला, लकड़ी, कागज, पेट्रोल।

• अदहनशील पदार्थ (Non-combustible Substances):
• वे पदार्थ जो सामान्य परिस्थितियों में नहीं जलते।
• उदाहरण: पत्थर, काँच, सीमेंट, रेत।

• दहन एक ऑक्सीकरण क्रिया:
• दहन में दहनशील पदार्थ वायुमंडल में मौजूद ऑक्सीजन के साथ रासायनिक रूप से संयोग करते हैं।
• अभिक्रिया के परिणामस्वरूप पदार्थ के ऑक्साइड बनते हैं और साथ ही ऊष्मा तथा प्रकाश ऊर्जा के रूप में मुक्त होते हैं।
• रासायनिक समीकरण:
• मैग्नीशियम का दहन: \(2Mg + O_2 \rightarrow 2MgO + \text{ऊष्मा} + \text{प्रकाश}\)
• कार्बन का दहन: \(C + O_2 \rightarrow CO_2 + \text{ऊष्मा} + \text{प्रकाश}\)
• यह दर्शाता है कि ऑक्सीजन दहन के लिए आवश्यक है।

मोमबत्ती के जलने के प्रयोग से यह सिद्ध होता है कि दहन के लिए वायु (ऑक्सीजन) आवश्यक है।

• स्थिति (क): चिमनी लकड़ी के गुटकों पर:
• चिमनी के नीचे से वायु को प्रवेश करने का मार्ग मिलता है।
• मोमबत्ती को लगातार ऑक्सीजन मिलती रहती है और वह निर्बाध रूप से जलती रहती है।

• स्थिति (ख): चिमनी मेज पर:
• चिमनी के नीचे से वायु का प्रवेश रुक जाता है।
• ऑक्सीजन की कमी के कारण मोम का पूर्ण दहन नहीं हो पाता।
• ज्वाला अस्थिर हो जाती है, कंपन करती है और धुआँ उत्पन्न होता है (बिना जले कार्बन कणों के कारण)।

• स्थिति (ग): चिमनी के ऊपर काँच की प्लेट:
• चिमनी के अंदर की वायु बाहर नहीं निकल पाती और बाहर से कोई नई वायु अंदर नहीं आ पाती।
• ऑक्सीजन की पूर्ण अनुपस्थिति में दहन की प्रक्रिया रुक जाती है।
• मोमबत्ती की ज्वाला बुझ जाती है।

• निष्कर्ष: दहन के लिए वायु (ऑक्सीजन) एक अनिवार्य घटक है। वायु के बिना कोई भी पदार्थ जल नहीं सकता।

• ज्वलन ताप (Ignition Temperature):
• वह न्यूनतम तापमान जिस पर कोई दहनशील पदार्थ वायु की उपस्थिति में जलना प्रारंभ करता है।
• यह तापमान हर पदार्थ के लिए अलग-अलग होता है।
• जिस पदार्थ का ज्वलन ताप जितना कम होता है, वह उतनी ही आसानी से आग पकड़ लेता है।
• उदाहरण: कागज का ज्वलन ताप लकड़ी से कम है; पेट्रोल का ज्वलन ताप मिट्टी के तेल से कम है।
• पेट्रोल का उपयोग लालटेन में नहीं किया जाता क्योंकि इसका ज्वलन ताप कम होता है और यह आसानी से वाष्पित होकर आग पकड़ लेता है।

• ज्वाला का निर्माण:
• ज्वाला का निर्माण तब होता है जब कोई पदार्थ गर्म करने पर वाष्पित होकर गैसीय अवस्था में परिवर्तित हो जाता है और फिर उन गैसीय पदार्थों का दहन होता है।
• ज्वाला वह दृश्यमान क्षेत्र है जहाँ गैसीय दहनशील पदार्थ ऑक्सीजन के साथ मिलकर जलते हैं।
• ज्वाला के साथ जलने वाले पदार्थ: मोमबत्ती, कपूर (ये गर्म होने पर वाष्पित होते हैं)।
• ज्वाला के बिना जलने वाले पदार्थ: कोयला (यह वाष्पित नहीं होता, सीधे जलता है)।
• लकड़ी पहले वाष्पित होती है (ज्वाला दिखती है), फिर बिना ज्वाला के जलती है (जब वाष्प खत्म हो जाती है)।
• मोमबत्ती बुझाने पर निकलने वाली सफेद वाष्प मोम की वाष्प होती है, जो जलती माचिस की तीली के संपर्क में आने पर फिर से जल उठती है।

मोमबत्ती की ज्वाला में मुख्य रूप से तीन क्षेत्र होते हैं, जिनमें तापमान और दहन की प्रक्रिया भिन्न होती है।

• ज्वाला के क्षेत्र:

1. सबसे भीतरी क्षेत्र (Innermost Zone):

• रंग: गहरा।
• तापमान: सबसे ठंडा भाग।
• दहन: इस क्षेत्र में दहन की क्रिया नहीं होती, क्योंकि ऑक्सीजन की कमी होती है। यहाँ केवल दहनशील पदार्थ (मोम) की गर्म वाष्प होती है।

1. मध्य क्षेत्र (Middle Zone):

• रंग: चमकीला एवं दीप्त।
• तापमान: मध्यम।
• दहन: ईंधन का आंशिक दहन होता है, जिससे बिना जले कार्बन कण बनते हैं। ये कार्बन कण गर्म होने पर चमकते हैं, जिससे यह क्षेत्र दीप्त दिखाई देता है।

1. सबसे बाहरी क्षेत्र (Outer Zone):

• रंग: हल्का नीला।
• तापमान: सबसे गर्म क्षेत्र (उच्चतम ताप)।
• दहन: वायुमंडलीय ऑक्सीजन ईंधन से अच्छी तरह मिल जाती है, जिससे लगभग पूर्ण दहन होता है।

• सुनार और ज्वाला का उपयोग:
• सुनार सोने और चाँदी जैसी धातुओं को पिघलाने और आकार देने के लिए ज्वाला के सबसे गर्म (बाहरी) क्षेत्र का उपयोग करते हैं।
• वे एक फुंकनी (ब्लोपाइप) की सहायता से वायु को ज्वाला के बाहरी क्षेत्र में केंद्रित करते हैं।
• फुंकनी से फूंकी गई वायु बिना जले ईंधन को जलाने में सहायक होती है, जिससे ज्वाला और अधिक गर्म हो जाती है।

• निर्माण विधि:
• सोडियम कार्बोनेट (कपड़े धोने का सोडा, \(Na_2CO_3\)) और नींबू के रस (साइट्रिक अम्ल) के बीच रासायनिक अभिक्रिया से कार्बन डाइऑक्साइड गैस बनती है।
• \(Na_2CO_3 \text{(सोडियम कार्बोनेट)} + \text{नींबू का रस (अम्ल)} \rightarrow CO_2 \text{(कार्बन डाइऑक्साइड)} + H_2O + \text{लवण}\)

• कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) के गुण:
• रंग और गंध: रंगहीन और गंधहीन गैस।
• दहन: न तो स्वयं जलती है और न ही जलने में सहायक है। (यही कारण है कि इसका उपयोग अग्निशामक यंत्रों में होता है।)
• चूने के पानी का परीक्षण:
• जब \(CO_2\) को ताजे चूने के पानी (कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड, \(Ca(OH)_2\)) में प्रवाहित किया जाता है, तो यह अविलेय कैल्शियम कार्बोनेट (CaCO₃) बनाती है।
• \(Ca(OH)_2 \text{(चूने का पानी)} + CO_2 \rightarrow CaCO_3 \text{(कैल्शियम कार्बोनेट)} \downarrow + H_2O\)
• जिससे विलयन दूधिया हो जाता है। यह \(CO_2\) की पहचान का मानक परीक्षण है।
• अम्लीय प्रकृति:
• \(CO_2\) एक अम्लीय ऑक्साइड है।
• यह पानी में घुलकर कार्बोनिक अम्ल (H₂CO₃) बनाती है (एक कमजोर अम्ल)।
• \(CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3\)
• इसी अम्लीय गुण के कारण यह क्षारीय विलयनों, जैसे फिनॉलफ्थलीन के साथ प्रतिक्रिया करती है, जिससे सूचक का रंग बदल जाता है (गुलाबी से रंगहीन)।
• यह क्षारों के साथ क्रिया करके लवण और पानी भी बनाती है।
• \(CO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O\)

• आग बुझाने में:
• \(CO_2\) जलने में सहायक नहीं है, इसलिए इसका उपयोग अग्निशामक यंत्रों में किया जाता है।
• यह आग के चारों ओर एक परत बनाकर ऑक्सीजन का संपर्क तोड़ देती है।

• शीतल पेयों में:
• शीतल पेयों में \(CO_2\) को उच्च दबाव में घोला जाता है।
• बोतल खोलने पर दबाव कम होने से \(CO_2\) बुलबुलों के रूप में बाहर निकलती है, जिससे झाग और तीखा स्वाद (फ़िज़) आता है।

• शुष्क बर्फ (Dry Ice):
• \(CO_2\) को ठंडा करने पर यह सीधे ठोस अवस्था में परिवर्तित हो जाती है, जिसे शुष्क बर्फ कहते हैं।
• उपयोग: प्रशीतक (refrigerant) के रूप में, खासकर खाद्य पदार्थों और औषधियों के परिवहन में, क्योंकि यह पिघलने पर पानी नहीं छोड़ती।

• प्रकाश संश्लेषण में:
• हरे पौधे सूर्य के प्रकाश की उपस्थिति में \(CO_2\) और पानी से अपना भोजन (ग्लूकोज) बनाते हैं।
• \(6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{\text{सूर्य का प्रकाश}} C_6H_{12}O_6 + 6O_2\)
• यह प्रक्रिया पृथ्वी पर अधिकांश खाद्य श्रृंखलाओं का आधार है।

• औद्योगिक निर्माण में:
• सोडियम कार्बोनेट (धोने का सोडा) और सोडियम बाइकार्बोनेट (खाने का सोडा) के व्यापारिक निर्माण में उपयोग।

• आग लगने के कारण: बिजली का शॉर्ट सर्किट, गैस रिसाव, लापरवाही, जंगल की आग (गर्मी में सूखी घास)।

• आग के लिए आवश्यक शर्तें (आग का त्रिभुज):

1. ईंधन (जलने वाला पदार्थ)
2. वायु (ऑक्सीजन)
3. ऊष्मा (ज्वलन ताप तक पहुँचने के लिए)

• आग बुझाने के सिद्धांत: आग पर नियंत्रण पाने के लिए 'आग के त्रिभुज' के किसी एक या अधिक घटक को हटाना आवश्यक है।

1. ईंधन को हटाना: जलने वाली सामग्री को हटाकर आग को फैलने से रोका जा सकता है।
2. वायु के संपर्क को तोड़ना (ऑक्सीजन हटाना):

• कंबल, रेत, या कार्बन डाइऑक्साइड जैसे अग्निशमन यंत्रों का उपयोग करके वायु (ऑक्सीजन) की आपूर्ति को रोका जा सकता है।
• उदाहरण: व्यक्ति के वस्त्र में आग लगने पर उसे कंबल से ढकना।

1. ऊष्मा को कम करना (तापमान घटाना):

• पानी का छिड़काव करके या झाग का उपयोग करके जलने वाली सामग्री का तापमान कम किया जा सकता है, जिससे आग बुझ जाती है।

• अग्निशमन सेवक:
• ये इसी सिद्धांत का पालन करते हैं: वायु के प्रवाह को काटकर या ईंधन का ताप कम करके आग बुझाते हैं।
• सावधानियाँ: सभी प्रकार की आग के लिए पानी का उपयोग सुरक्षित नहीं होता।
• बिजली या तेल से लगी आग में पानी का उपयोग खतरनाक हो सकता है।
• ऐसी स्थितियों में कार्बन डाइऑक्साइड वाले अग्निशमन यंत्र या रेत का उपयोग करना चाहिए।

• आतिशबाजी:
• खुशी के मौकों पर आतिशबाजी से ऊष्मा, प्रकाश, ध्वनि और विभिन्न गैसें बनती हैं।
• ये गैसें वायु प्रदूषण का कारण बनती हैं और कभी-कभी आग लगने का कारण भी बन जाती हैं।