कार्बन के चार लक्षण

कार्बन एक अधात्विक तत्व है जिसका रासायनिक चिन्ह C है। यह ब्रह्मांड में चौथा सबसे प्रचुर तत्व है, और पृथ्वी की पपड़ी में 15 वां सबसे प्रचुर तत्व है। यह मनुष्यों में ऑक्सीजन के बाद दूसरा सबसे प्रचुर मात्रा में पाया जाने वाला तत्व भी है। इसका रासायनिक श्रृंगार कार्बन के कई अद्वितीय गुणों की ओर ले जाता है।

कार्बन आवर्त सारणी के समूह 14 के अंतर्गत आता है। इसका परमाणु क्रमांक 6 है और इसका परमाणु भार 12.011 है। कार्बन की ऑक्सीकरण अवस्था -4 से +4 तक भिन्न हो सकती है, जहाँ +4 मीथेन और कार्बन डाइसल्फ़ाइड जैसे यौगिकों में मौजूद है, और कार्बन मोनोऑक्साइड के लिए +2 है।

विभिन्न कार्बन आवंटन के भौतिक गुण उन्हें बैटरी, इलेक्ट्रॉनिक्स और नैनो सामग्री में उपयोगी बनाते हैं। कार्बन "तत्वों का राजा" भी है, जो लगभग बना रहा है 10 मिलियन यौगिक तिथि करने के लिए कार्बनिक, अकार्बनिक और organometallic यौगिकों सहित।

कार्बन के समस्थानिकों का व्यापक रूप से रेडियोकार्बन डेटिंग (कार्बन-14), आणविक संरचना और चिकित्सा अनुसंधान (कार्बन-13) के लिए उपयोग किया जाता है। इसके अलावा, कार्बन फाइबर उत्कृष्ट यांत्रिक गुण दिखाते हैं और एयरोस्पेस और सिविल इंजीनियरिंग में लोकप्रिय हैं।

कार्बन अलग है एलोट्रोपिक रूप, विविध आणविक विन्यास और परमाणु संरचनाओं के साथ। कार्बन के भौतिक गुण प्रत्येक आवंटन के साथ बहुत भिन्न होते हैं। कार्बन के कुछ सबसे प्रसिद्ध अपरूपों में ग्रेफाइट, हीरा और फुलरीन शामिल हैं।

ग्रेफाइट सबसे नरम ज्ञात सामग्रियों में से एक है और इसका उपयोग पेंसिल और एक ठोस स्नेहक के रूप में किया जाता है। यह बिजली का एक अच्छा संवाहक भी है, जो इसे बैटरी और सौर पैनलों में उपयोगी बनाता है।

ग्रेफीन एक छत्ते की जाली में व्यवस्थित ग्रेफाइट की केवल एक परमाणु परत है। एक ग्राफीन परत में, प्रत्येक कार्बन परमाणु सहसंयोजक रूप से तीन अन्य परमाणुओं से बंधा होता है, जिससे चौथा इलेक्ट्रॉन समतल में प्रवास करने के लिए मुक्त हो जाता है, इसलिए इसकी विद्युत चालकता।

हीरा, इसके विपरीत, प्राकृतिक रूप से पाया जाने वाला सबसे कठोर पदार्थ है और कार्बन के अद्वितीय गुणों में से एक है। इसमें ग्रेफाइट का घनत्व लगभग दोगुना है, और प्रत्येक कार्बन परमाणु चार अन्य के साथ चतुष्फलकीय रूप से बंधा होता है जिसमें कोई मुक्त प्रवाहित इलेक्ट्रॉन नहीं होता है। इस प्रकार हीरा विद्युत का कुचालक होता है। ग्रेफाइट के विपरीत हीरा दिखने में भी साफ होता है, जो अपारदर्शी होता है।

वैज्ञानिकों ने कार्बन के अन्य आवंटियों को भी संश्लेषित किया है, जैसे फुलरीन, कार्बन नैनोफोम और अन्य। उनके पास विशेष गुण हैं और अनुसंधान के एक प्रस्फुटित क्षेत्र का गठन करते हैं नेनो सामग्री. फुलरीन एक बंद पिंजरे (बकीबॉल) या सिलेंडर (कार्बन नैनोट्यूब) संरचना में खोखले कार्बन अणुओं का एक समूह है।

•••ChemDraw का उपयोग करके बनाया गया

सी₆₀ बकीबॉल की खोज सर हेरोल्ड क्रोटो, रिचर्ड स्माले और रॉबर्ट कर्ल जूनियर ने हीलियम वातावरण में ग्रेफाइट की छड़ को वाष्पीकृत करने के लिए एक लेजर का उपयोग करके की थी। सॉकर बॉल के आकार में 12 पंचकोणीय और 20 हेक्सागोनल चेहरे बनाने के लिए कार्बन परमाणु सिंगल और डबल बॉन्ड द्वारा एक साथ जुड़ते हैं। उनके अग्रणी प्रयासों ने उन्हें १९९६ में नोबेल पुरस्कार दिलाया।

कार्बन नैनोट्यूब, जो कि बकीबॉल के विस्तारित संस्करण हैं, की पहचान इजिमा सुमियो द्वारा की गई थी। वे गर्मी और बिजली के उत्कृष्ट संवाहक हैं और इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए उपयोगी हैं।

कार्बन नैनोट्यूब भी प्रभावशाली तन्य शक्ति प्रदर्शित करते हैं और संरचनात्मक सामग्री और दवा में रोमांचक अनुप्रयोग हैं। हालांकि, ऐसे नैनोमटेरियल्स के नियंत्रित संश्लेषण ने वैज्ञानिकों के लिए एक बड़ी चुनौती पेश की है।

कार्बन पृथ्वी पर जीवन का आधार बनाता है, जिसमें लाखों कार्बन युक्त यौगिक सभी जीवित चीजों का 18 प्रतिशत बनाते हैं। यह अन्य परमाणुओं के साथ स्थिर, सहसंयोजक बंधन बना सकता है और मजबूत कार्बन-कार्बन बंधनों की लंबी श्रृंखला या छल्ले के रूप में प्रकट हो सकता है। ये पृथ्वी पर मौजूद कार्बन यौगिकों की विविधता और जटिलता में योगदान करते हैं।

इन कार्बन यौगिक जीवित जीवों की कोशिकाओं में पाए जाने वाले प्रोटीन, कार्बोहाइड्रेट और डीएनए जैसे कार्बनिक अणुओं के साथ-साथ कार्बन ऑक्साइड जैसे अकार्बनिक यौगिक शामिल हैं। कार्बनिक अणुओं के अध्ययन से एक विशेष क्षेत्र बनता है जिसे कार्बनिक रसायन कहते हैं। कार्बन धातु के साथ सहसंयोजक बंध भी बना सकता है जैसे कि ऑर्गोमेटेलिक यौगिक। आयरन पोर्फिरीन, जो हीमोग्लोबिन का ऑक्सीजन बंधन स्थल है, ऐसा ही एक उदाहरण है।

प्रकृति में इसकी प्रचुरता के बावजूद, सामान्य परिस्थितियों में कार्बन अपेक्षाकृत अक्रियाशील है। मानक तापमान पर, यह एसिड (सल्फ्यूरिक एसिड या हाइड्रोक्लोरिक एसिड) या क्षार के प्रति प्रतिक्रियाशील नहीं होता है। यह इस तापमान पर ऑक्सीकरण के लिए भी स्थिर है। हालांकि, उच्च तापमान पर, कार्बन ऑक्सीजन के साथ कार्बन ऑक्साइड (COes) बनाने के लिए प्रतिक्रिया कर सकता है₂ और सीओ), सल्फर गैस के साथ कार्बन डाइसल्फ़ाइड बनाने के लिए और सिलिकॉन के साथ कार्बाइड बनाने के लिए।

कार्बन के 15 ज्ञात समस्थानिक हैं, जिनमें से कार्बन-12 (प्राकृतिक कार्बन का 98.93 प्रतिशत) और कार्बन-13 (1.07 प्रतिशत) दो स्थिर समस्थानिक हैं। कार्बन-14 सबसे लंबे समय तक जीवित रहने वाला आइसोटोप है, जिसकी अर्ध-आयु 5,730 वर्ष है। सबसे कम समय तक जीवित रहने वाला कार्बन समस्थानिक कार्बन-8 है, और इसका आधा जीवन 1.98739 x 10 है।⁻²¹ सेकंड।

आइसोटोप कार्बन-14 द्वारा दर्शाया जाता है ¹⁴₆सी, जहां प्रीसुपरस्क्रिप्ट 14 परमाणु द्रव्यमान है और प्रीसबस्क्रिप्ट 6 परमाणु संख्या है। कार्बन-14 में बहुत कम प्राकृतिक प्रचुरता (0.0000000001 प्रतिशत) है, लेकिन इसका लंबा आधा जीवन इसे के लिए उपयोगी बनाता है रेडियोमेट्रिक डेटिंग.

कार्बन-14 तब बनता है जब नाइट्रोजन-14 कॉस्मिक विकिरण से न्यूट्रॉन के साथ प्रतिक्रिया करता है, इस प्रक्रिया में एक प्रोटॉन जारी करता है। कार्बन-14 तब उत्पन्न करने के लिए ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करता है ¹⁴सीओ₂, जो समान रूप से वातावरण में वितरित किया जाता है ¹²सीओ_2.

¹⁴₇एन + ¹₀एन > ¹⁴₆सी + ¹₁पी

कार्बन चक्र तब शुरू होता है जब जीवित जीव कार्बन डाइऑक्साइड को परिवर्तित करते हैं (¹⁴सीओ₂ तथा ¹²सीओ₂ वायुमंडल से) प्रकाश संश्लेषण द्वारा कार्बनिक यौगिकों में और इसे श्वसन द्वारा वायुमंडल में वापस छोड़ते हैं। इस संतुलन में. का एक निश्चित अनुपात होता है ¹⁴सीओ₂ तथा ¹²सीओ₂ जीवों में। हालाँकि जब वे मर जाते हैं, तो संतुलन रुक जाता है, और कार्बन -14 अपने 5,730 साल के आधे जीवन के अनुसार नाइट्रोजन -14 में बीटा क्षय से गुजरता है।

¹⁴₆सी > ¹⁴₇एन + ⁰_-1इ

मृत नमूने में कार्बन-14 के सापेक्ष अनुपात का मापन इस प्रकार उसकी मृत्यु के बाद के समय की गणना की अनुमति देता है। रेडियोकार्बन डेटिंग की इस पद्धति का व्यापक रूप से 500 से 50,000 वर्ष पुराने जीवाश्मों और पुरातात्विक नमूनों की डेटिंग के लिए उपयोग किया गया है।

कार्बन-13 एक अन्य समस्थानिक है जिसका कई अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, इसका उपयोग कार्बनिक यौगिकों की आणविक संरचनाओं के निर्धारण के लिए परमाणु चुंबकीय अनुनाद (NMR) में किया जाता है। यह चिकित्सा अनुसंधान के लिए मास स्पेक्ट्रोमीटर के संयोजन में एक लेबलिंग उपकरण के रूप में भी प्रयोग किया जाता है।

कार्बन अपने भौतिक, रासायनिक और परमाणु गुणों के अलावा उपयोगी यांत्रिक गुणों को भी प्रदर्शित करता है।

यह बन सकता है मिश्र स्टील के साथ कार्बन स्टील में, जिसमें कार्बन सामग्री वजन के हिसाब से 0.05 से 2 प्रतिशत तक भिन्न होती है। मध्यम कार्बन स्टील (0.3-0.6 प्रतिशत कार्बन) में संतुलित ताकत और लचीलापन है, साथ ही साथ उत्कृष्ट तन्यता ताकत भी है। गर्मी उपचार की प्रक्रिया के माध्यम से, अल्ट्रा-हाई-कार्बन स्टील (1.25-2 प्रतिशत कार्बन) को बड़ी कठोरता से तड़का लगाया जा सकता है और चाकू के निर्माण के लिए उपयोग किया जा सकता है।

कार्बन फाइबर, जो 5 से 10 माइक्रोन मोटे फाइबर होते हैं जो ज्यादातर कार्बन परमाणुओं से बने होते हैं, उच्च प्रदर्शित करते हैं कठोरता, तन्य शक्ति, रासायनिक प्रतिरोध, तापमान सहनशीलता और कम वजन और थर्मल विस्तार। स्टील की यील्ड स्ट्रेंथ उसके ग्रेड पर निर्भर करती है और माइल्ड स्टील की यील्ड स्ट्रेंथ 247 एमपीए होती है। कार्बन फाइबर है तन्य शक्ति १,६०० से ६,३७० एमपीए तक है और इसलिए एयरोस्पेस, सिविल इंजीनियरिंग और के क्षेत्र में लोकप्रिय हैं खेल।

जब किसी सामग्री पर दबाव डाला जाता है, तो वह सबसे पहले तेजी से विकृत होता है। इस स्तर पर, तनाव दूर होने पर यह अपने मूल आकार में वापस आ सकता है। नम्य होने की क्षमता एक तनाव के रूप में परिभाषित किया गया है जो एक सामग्री स्थायी विरूपण के बिना सामना कर सकती है।

जब यह एक ऐसे बिंदु (ऊपरी उपज बिंदु) तक पहुँच जाता है जहाँ यह अपने मूल आयामों में वापस नहीं आ सकता है, तो यह प्लास्टिक विरूपण से गुजरता है, जो एक स्थायी और अपरिवर्तनीय है। तन्यता ताकत अधिकतम ताकत है जो एक सामग्री बिना असफल या टूटने के सामना कर सकती है।