कक्षा 10 विज्ञान: कार्बन एवं उसके यौगिक NCERT समाधान

Solution: कार्बन डाइऑक्साइड ($CO\_2$) की इलेक्ट्रॉन बिंदु संरचना में, केंद्रीय कार्बन परमाणु दो ऑक्सीजन परमाणुओं से दोहरे बंधों द्वारा जुड़ा होता है। कार्बन के 4 संयोजी इलेक्ट्रॉन होते हैं और प्रत्येक ऑक्सीजन के 6 संयोजी इलेक्ट्रॉन होते हैं। प्रत्येक कार्बन-ऑक्सीजन दोहरा बंधन 4 इलेक्ट्रॉनों (2 कार्बन से, 2 ऑक्सीजन से) से बनता है। इस प्रकार, केंद्रीय कार्बन परमाणु के चारों ओर कुल 8 इलेक्ट्रॉन (4 बंधन जोड़ी) होते हैं, जो अष्टक नियम को संतुष्ट करते हैं। प्रत्येक ऑक्सीजन परमाणु के पास 2 बंधन जोड़ी और 2 एकाकी जोड़ी इलेक्ट्रॉन होते हैं।

$$:\; ··\; O\; ::\; C\; ::\; O\; ··$$

Solution: सल्फर के आठ परमाणु ($S\_8$) एक वलय (अँगूठी) संरचना में व्यवस्थित होते हैं। प्रत्येक सल्फर परमाणु दो अन्य सल्फर परमाणुओं से एकल सहसंयोजक बंध द्वारा जुड़ा होता है। सल्फर के प्रत्येक परमाणु के 6 संयोजी इलेक्ट्रॉन होते हैं। वलय संरचना में, प्रत्येक सल्फर परमाणु दो बंध बनाता है और उसके पास 2 एकाकी जोड़ी इलेक्ट्रॉन होते हैं। इस प्रकार, प्रत्येक सल्फर परमाणु के चारों ओर कुल 8 इलेक्ट्रॉन (2 बंधन जोड़ी + 2 एकाकी जोड़ी) होते हैं, जो अष्टक नियम को संतुष्ट करते हैं।

$$S\_8$$ अणु की संरचना एक वलय के समान होती है, जहाँ प्रत्येक S परमाणु दो अन्य S परमाणुओं से जुड़ा होता है।

Solution: पेंटेन ($C\_5H\_\{12\}$) के तीन संरचनात्मक समावयव संभव हैं। ये समावयव कार्बन परमाणुओं की व्यवस्था में भिन्न होते हैं:

1. n-पेंटेन: यह एक सीधी श्रृंखला है जिसमें पांच कार्बन परमाणु एक पंक्ति में जुड़े होते हैं।
2. आइसोपेंटेन (2-मिथाइल ब्यूटेन): इसमें चार कार्बन परमाणुओं की एक श्रृंखला होती है, जिसके दूसरे कार्बन परमाणु पर एक मिथाइल ($-CH\_3$) समूह जुड़ा होता है।
3. नियोपेंटेन (2,2-डाइमिथाइल प्रोपेन): इसमें तीन कार्बन परमाणुओं की एक श्रृंखला होती है, जिसके केंद्रीय कार्बन परमाणु पर दो मिथाइल समूह जुड़े होते हैं।

Solution: कार्बन के दो प्रमुख गुणधर्म जो कार्बन यौगिकों की विशाल संख्या के लिए उत्तरदायी हैं, वे हैं:

1. चतुःसंयोजकता (Tetravalency): कार्बन की संयोजकता चार होती है, जिसका अर्थ है कि यह चार अन्य परमाणुओं के साथ सहसंयोजक बंध बना सकता है। यह इसे विभिन्न प्रकार के अणुओं के निर्माण की अनुमति देता है।
2. श्रृंखलन (Catenation): कार्बन परमाणुओं में आपस में जुड़कर लंबी, शाखित या चक्रीय श्रृंखलाएँ बनाने की अद्वितीय क्षमता होती है। यह गुण कार्बन को अत्यंत जटिल और बड़े अणु बनाने में सक्षम बनाता है।

Solution: साइक्लोपेंटेन एक चक्रीय हाइड्रोकार्बन है जिसका आण्विक सूत्र $C\_5H\_\{10\}$ है। इसकी संरचना में पांच कार्बन परमाणु एक पंचभुज (pentagon) के रूप में एक बंद वलय बनाते हैं। प्रत्येक कार्बन परमाणु दो अन्य कार्बन परमाणुओं से एकल सहसंयोजक बंध द्वारा जुड़ा होता है और दो हाइड्रोजन परमाणुओं से भी जुड़ा होता है।

इलेक्ट्रॉन बिंदु संरचना में, प्रत्येक कार्बन परमाणु के 4 संयोजी इलेक्ट्रॉन होते हैं और प्रत्येक हाइड्रोजन परमाणु का 1 संयोजी इलेक्ट्रॉन होता है। कार्बन-कार्बन बंधों और कार्बन-हाइड्रोजन बंधों में इलेक्ट्रॉनों को दर्शाया जाता है। प्रत्येक कार्बन परमाणु के चारों ओर 8 इलेक्ट्रॉन (अष्टक) और प्रत्येक हाइड्रोजन परमाणु के चारों ओर 2 इलेक्ट्रॉन (द्विक) होते हैं।

Solution:

(a) एथेनॉइक अम्ल (Ethanoic acid): यह एक कार्बोक्सिलिक एसिड है जिसका सूत्र $CH\_3COOH$ है। इसमें एक मिथाइल समूह ($-CH\_3$) एक कार्बोक्सिल समूह ($-COOH$) से जुड़ा होता है।

संरचना: $CH\_3-C(=O)-OH$

(b) ब्रोमोपेंटेन (Bromopentane): यह एक हैलोएल्केन है जिसका सूत्र $C\_5H\_\{11\}Br$ है। इसमें पेंटेन श्रृंखला के एक कार्बन परमाणु पर एक ब्रोमीन परमाणु जुड़ा होता है। इसके कई समावयव संभव हैं, जैसे 1-ब्रोमोपेंटेन, 2-ब्रोमोपेंटेन, आदि। यहाँ 1-ब्रोमोपेंटेन की संरचना चित्रित की गई है:

संरचना: $Br-CH\_2-CH\_2-CH\_2-CH\_2-CH\_3$

(c) ब्यूटेनोन (Butanone): यह एक कीटोन है जिसका सूत्र $C\_4H\_8O$ है। इसमें चार कार्बन परमाणुओं की श्रृंखला होती है और दूसरे कार्बन परमाणु पर एक कीटोन समूह ($-C=O$) जुड़ा होता है।

संरचना: $CH\_3-C(=O)-CH\_2-CH\_3$

(d) हेक्सेनैल (Hexanal): यह एक एल्डिहाइड है जिसका सूत्र $C\_6H\_\{12\}O$ है। इसमें छह कार्बन परमाणुओं की श्रृंखला होती है और पहले कार्बन परमाणु पर एक एल्डिहाइड समूह ($-CHO$) जुड़ा होता है।

संरचना: $CH\_3-CH\_2-CH\_2-CH\_2-CH\_2-CHO$

Solution: हाँ, ब्रोमोपेंटेन के संरचनात्मक समावयव संभव हैं। ब्रोमीन परमाणु को पेंटेन श्रृंखला के विभिन्न कार्बन परमाणुओं से जोड़ा जा सकता है, जिससे विभिन्न समावयव बनते हैं। उदाहरण के लिए:

• 1-ब्रोमोपेंटेन: ब्रोमीन पहले कार्बन पर जुड़ा होता है।
• 2-ब्रोमोपेंटेन: ब्रोमीन दूसरे कार्बन पर जुड़ा होता है।
• 3-ब्रोमोपेंटेन: ब्रोमीन तीसरे कार्बन पर जुड़ा होता है।

इसके अतिरिक्त, पेंटेन श्रृंखला स्वयं भी शाखित हो सकती है (जैसे आइसो-पेंटेन या नियो-पेंटेन), और इन पर ब्रोमीन जोड़ने से और भी समावयव बन सकते हैं, हालांकि प्रश्न केवल 'ब्रोमोपेंटेन' के लिए पूछ रहा है, जो आमतौर पर सीधी श्रृंखला को संदर्भित करता है जब तक कि अन्यथा निर्दिष्ट न हो।

Solution: प्रश्न में यौगिकों की संरचनाएँ नहीं दी गई हैं, केवल उनके नामकरण के बारे में पूछा गया है। यदि संरचनाएँ दी जातीं, तो IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) नामकरण प्रणाली का उपयोग करके उनका नामकरण किया जाता। इस प्रणाली में, मूल श्रृंखला की पहचान की जाती है, और उस पर लगे क्रियात्मक समूहों और प्रतिस्थापियों के आधार पर नाम दिया जाता है।

उदाहरण के लिए, यदि संरचना $CH\_3-CH\_2-OH$ दी गई होती, तो इसका नाम 'एथेनॉल' होता। यदि संरचना $CH\_3-COOH$ दी गई होती, तो इसका नाम 'एथेनोइक अम्ल' होता।

Solution: एथेनॉल ($C\_2H\_5OH$) से एथेनोइक अम्ल ($CH\_3COOH$) में परिवर्तन को ऑक्सीकरण अभिक्रिया कहा जाता है क्योंकि इस प्रक्रिया में अणु में ऑक्सीजन की वृद्धि होती है और/या हाइड्रोजन की कमी होती है।

एथेनॉल की संरचना $CH\_3CH\_2OH$ है और एथेनोइक अम्ल की संरचना $CH\_3COOH$ है। इस परिवर्तन में, -$CH\_2OH$ समूह -$COOH$ समूह में ऑक्सीकृत हो जाता है। यह एक ऑक्सीजन परमाणु के जुड़ने और दो हाइड्रोजन परमाणुओं के हटने के बराबर है। इस प्रकार की अभिक्रियाएँ, जिनमें ऑक्सीजन जुड़ती है या हाइड्रोजन हटती है, ऑक्सीकरण कहलाती हैं।

यह अभिक्रिया आमतौर पर एक प्रबल ऑक्सीकारक जैसे पोटेशियम परमैंगनेट ($KMnO\_4$) या पोटेशियम डाइक्रोमेट ($K\_2Cr\_2O\_7$) की उपस्थिति में की जाती है।

Solution: एथाइन ($C\_2H\_2$) और ऑक्सीजन ($O\_2$) के मिश्रण का उपयोग वेल्डिंग के लिए किया जाता है क्योंकि यह एक अत्यंत उच्च तापमान पर जलता है, जिससे धातुएँ पिघल जाती हैं। इस मिश्रण को ऑक्सीएसिटिलीन गैस कहा जाता है।

एथाइन और वायु के मिश्रण का उपयोग वेल्डिंग के लिए नहीं किया जाता क्योंकि वायु में केवल लगभग 21% ऑक्सीजन होती है, बाकी मुख्य रूप से नाइट्रोजन होती है। वेल्डिंग के लिए आवश्यक उच्च तापमान प्राप्त करने के लिए शुद्ध ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है। वायु में नाइट्रोजन की उपस्थिति दहन के तापमान को कम कर देती है और पूर्ण दहन के लिए पर्याप्त ऑक्सीजन की आपूर्ति नहीं करती है, जिससे वेल्डिंग प्रक्रिया अप्रभावी हो जाती है। इसलिए, वेल्डिंग के लिए शुद्ध ऑक्सीजन और एथाइन का नियंत्रित मिश्रण आवश्यक है।

Solution: ऐल्कोहॉल और कार्बोक्सिलिक अम्ल के बीच अंतर करने के लिए एक सरल प्रयोग सोडियम बाइकार्बोनेट ($NaHCO\_3$) के साथ उनकी अभिक्रिया का उपयोग करना है।

विधि:

1. एक परखनली में थोड़ी मात्रा में ऐल्कोहॉल (जैसे एथेनॉल) लें और उसमें सोडियम बाइकार्बोनेट का चूर्ण डालें।
2. दूसरी परखनली में थोड़ी मात्रा में कार्बोक्सिलिक अम्ल (जैसे एथेनोइक अम्ल) लें और उसमें सोडियम बाइकार्बोनेट का चूर्ण डालें।

अवलोकन:

• जब सोडियम बाइकार्बोनेट को ऐल्कोहॉल में मिलाया जाता है, तो कोई अभिक्रिया नहीं होती है और कोई गैस उत्सर्जित नहीं होती है।
• जब सोडियम बाइकार्बोनेट को कार्बोक्सिलिक अम्ल में मिलाया जाता है, तो बुदबुदाहट के साथ कार्बन डाइऑक्साइड ($CO\_2$) गैस उत्सर्जित होती है।

निष्कर्ष: कार्बोक्सिलिक अम्ल सोडियम बाइकार्बोनेट के साथ अभिक्रिया करके $CO\_2$ गैस देते हैं, जबकि ऐल्कोहॉल ऐसा नहीं करते। इस प्रकार, $CO\_2$ गैस का उत्सर्जन कार्बोक्सिलिक अम्ल की उपस्थिति का संकेत देता है।

अभिक्रिया: $RCOOH\; +\; NaHCO\_3\; \backslash rightarrow\; RCOONa\; +\; H\_2O\; +\; CO\_2\; \backslash uparrow$

Solution: ऑक्सीकारक (Oxidizing agents) वे पदार्थ होते हैं जो किसी अन्य पदार्थ को ऑक्सीकृत करते हैं (अर्थात, उसमें ऑक्सीजन जोड़ते हैं या उससे हाइड्रोजन हटाते हैं) और स्वयं अपचयित हो जाते हैं (अर्थात, वे ऑक्सीजन खो देते हैं या हाइड्रोजन प्राप्त करते हैं)।

सरल शब्दों में, ऑक्सीकारक वह पदार्थ है जो दूसरे पदार्थ से इलेक्ट्रॉनों को ग्रहण करता है।

उदाहरण के लिए, पोटेशियम परमैंगनेट ($KMnO\_4$) और पोटेशियम डाइक्रोमेट ($K\_2Cr\_2O\_7$) प्रबल ऑक्सीकारक हैं जिनका उपयोग कार्बनिक संश्लेषण में किया जाता है।

Solution: नहीं, हम केवल डिटर्जेंट का उपयोग करके यह निश्चित रूप से नहीं बता सकते कि जल कठोर है या मृदु। इसका कारण यह है कि डिटर्जेंट कठोर और मृदु दोनों प्रकार के जल में झाग (मिसेल) उत्पन्न करते हैं।

साबुन, दूसरी ओर, कठोर जल में कैल्शियम और मैग्नीशियम आयनों के साथ अभिक्रिया करके अघुलनशील अवक्षेप (स्कम) बनाते हैं, जिससे झाग कम बनता है। इस प्रकार, साबुन का उपयोग करके जल की कठोरता का पता लगाया जा सकता है (कम झाग = कठोर जल)। लेकिन डिटर्जेंट की यह विशेषता नहीं होती है, इसलिए वे कठोरता का परीक्षण करने के लिए उपयुक्त नहीं हैं।

Solution: कपड़े साफ करने के लिए रगड़ने की आवश्यकता होती है क्योंकि यह मैल (चिकनाई और गंदगी) को हटाने में मदद करता है। साबुन मैल के साथ मिलकर मिसेल (micelles) नामक संरचनाएँ बनाता है। ये मिसेल तैलीय मैल को अपने केंद्र में घेर लेते हैं और उसे पानी में घुलनशील बनाकर कपड़े से अलग करने में मदद करते हैं।

रगड़ने की क्रिया (चाहे वह हाथ से हो, ब्रश से हो या वाशिंग मशीन से) इन मिसेलों को कपड़े से प्रभावी ढंग से हटाने और मैल को पानी में निलंबित रखने के लिए आवश्यक यांत्रिक बल प्रदान करती है। यह क्रिया मैल को ढीला करने और उसे पानी के प्रवाह के साथ बहा ले जाने में सहायता करती है, जिससे कपड़ा साफ हो जाता है।

Solution: एथेन का आण्विक सूत्र $C\_2H\_6$ है। इसकी संरचना में दो कार्बन परमाणु एकल बंध ($C-C$) द्वारा जुड़े होते हैं, और प्रत्येक कार्बन परमाणु तीन हाइड्रोजन परमाणुओं ($C-H$) से जुड़ा होता है।

संरचना इस प्रकार है: $CH\_3-CH\_3$

इसमें कुल सहसंयोजक बंधों की संख्या है:

• 1 कार्बन-कार्बन एकल बंध ($C-C$)
• 6 कार्बन-हाइड्रोजन एकल बंध ($C-H$) (प्रत्येक कार्बन पर 3)

कुल बंधों की संख्या = 1 + 6 = 7 सहसंयोजक आबंध।

इसलिए, सही उत्तर विकल्प 2 है।

Solution: ब्यूटेनोन एक चार-कार्बन वाला यौगिक है। 'ओन' प्रत्यय इंगित करता है कि यह एक कीटोन है। कीटोन का प्रकार्यात्मक समूह कार्बोनिल समूह ($-C=O$) होता है, जो दो कार्बन परमाणुओं के बीच स्थित होता है। ब्यूटेनोन में, यह समूह दूसरे कार्बन परमाणु पर स्थित होता है, इसलिए इसका सूत्र $CH\_3-CO-CH\_2-CH\_3$ है।

अतः, ब्यूटेनोन का प्रकार्यात्मक समूह कीटोन ($-CO-$) है।