Carbon

कक्षा 10वीं विज्ञान - अध्याय 4: कार्बन और उसके यौगिक (संपूर्ण नोट्स)

यह नोट्स आपकी बोर्ड परीक्षा के लिए पूरी तरह से मददगार होगा। इसे NCERT पैटर्न और विभिन्न शिक्षण संसाधनों के आधार पर तैयार किया गया है ।

1. कार्बन का परिचय

कार्बन (Carbon) एक अद्वितीय तत्व है, जो हमारे जीवन और रसायन विज्ञान दोनों की नींव है। पृथ्वी की पपड़ी में केवल 0.02% कार्बन है, और वायुमंडल में 0.03% कार्बन डाइऑक्साइड है , लेकिन इसकी उपस्थिति हर जीवित प्राणी के लिए आधारभूत है। कार्बन की सबसे बड़ी खासियत यह है कि यह अन्य तत्वों की तुलना में सबसे अधिक यौगिक बनाता है — 10 मिलियन से भी ज्यादा! यही कारण है कि कार्बन के यौगिकों का एक अलग ही अध्ययन होता है, जिसे कार्बनिक रसायन विज्ञान (Organic Chemistry) कहते हैं ।

2. कार्बन में बंधन - सहसंयोजक बंधन (Covalent Bond)

कार्बन आयन क्यों नहीं बनाता?

कार्बन का परमाणु क्रमांक 6 है, और इसका इलेक्ट्रॉनिक विन्यास 2, 4 है । इसका मतलब है कि इसके बाहरी कोश में 4 इलेक्ट्रॉन हैं, और इसे स्थिर (निष्क्रिय गैस) बनने के लिए 4 और इलेक्ट्रॉनों की जरूरत होती है।

• अगर यह 4 इलेक्ट्रॉन प्राप्त करता है (C⁴⁻), तो 6 प्रोटॉन वाला नाभिक 10 इलेक्ट्रॉनों को पकड़ नहीं पाता ।
• अगर यह 4 इलेक्ट्रॉन खोता है (C⁴⁺), तो उसे खोने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है ।

इसलिए, कार्बन इलेक्ट्रॉनों का साझाकरण (sharing) करके सहसंयोजक बंधन (Covalent Bond) बनाता है ।

सहसंयोजक यौगिकों के गुण :

1. गलनांक और क्वथनांक कम होते हैं: इनमें अंतर-आणविक बल (intermolecular forces) कमजोर होते हैं।
2. विद्युत के कुचालक होते हैं: इनमें मुक्त इलेक्ट्रॉन या आयन नहीं होते जो बिजली का संचालन कर सकें।
3. जल में अघुलनशील: ये आमतौर पर पानी में नहीं घुलते, लेकिन कार्बनिक विलायकों में घुल जाते हैं।

3. कार्बन की बहुमुखी प्रतिभा (Versatile Nature)

कार्बन इतने सारे यौगिक क्यों बनाता है? इसके दो मुख्य कारण हैं :

(क) शृंखलन (Catenation)

यह कार्बन परमाणुओं की आपस में जुड़कर लंबी श्रृंखलाएँ (chains), शाखाएँ (branches) या वलय (rings) बनाने की अद्भुत क्षमता है। C-C बंध बहुत मजबूत होता है, इसलिए यह संभव हो पाता है ।

(ख) चतुःसंयोजकता (Tetravalency)

कार्बन की संयोजकता 4 है, यानी यह 4 अलग-अलग सहसंयोजक बंधन बना सकता है । यह हाइड्रोजन, ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, सल्फर आदि से जुड़ सकता है, जिससे विविधता और बढ़ जाती है।

कार्बन की संरचनाएँ :

• सीधी श्रृंखला (Straight Chain) - जैसे: ब्यूटेन (C₄H₁₀)
• शाखित श्रृंखला (Branched Chain) - जैसे: आइसोब्यूटेन
• वलय (Ring) - जैसे: बेंजीन (C₆H₆) या साइक्लोहेक्सेन

4. कार्बन के अपरूप (Allotropes of Carbon)

जब एक ही तत्व अलग-अलग भौतिक रूपों में पाया जाता है, तो उसे अपरूपता (Allotropy) कहते हैं । कार्बन के मुख्य तीन अपरूप हैं :

अपरूप (Allotrope)	संरचना और गुण	उपयोग
हीरा (Diamond)	प्रत्येक C परमाणु 4 अन्य C से जुड़ा (टेट्राहेड्रल), अत्यंत कठोर, पारदर्शी, विद्युत का कुचालक ।	काटने के औजार, आभूषण
ग्रेफाइट (Graphite)	प्रत्येक C परमाणु 3 अन्य C से जुड़ा, परतें (hexagonal layers) एक-दूसरे पर फिसलती हैं, मुलायम, विद्युत का सुचालक ।	पेंसिल लेड, स्नेहक (lubricant), इलेक्ट्रोड
फुलरीन (Fullerene)	60 C परमाणुओं (C₆₀) की फुटबॉल जैसी गोलाकार संरचना, जिसे 'बकीबॉल' भी कहते हैं ।	वैज्ञानिक अनुसंधान

5. हाइड्रोकार्बन (Hydrocarbons)

केवल कार्बन और हाइड्रोजन से बने यौगिकों को हाइड्रोकार्बन कहते हैं । ये दो प्रकार के होते हैं :

(अ) संतृप्त हाइड्रोकार्बन (Saturated) — ऐल्केन (Alkanes)

• इनमें केवल एकल बंध (C-C) होते हैं ।
• सामान्य सूत्र: CₙH₂ₙ₊₂ ।
• ये कम अभिक्रियाशील होते हैं और प्रतिस्थापन अभिक्रिया (Substitution Reaction) करते हैं ।
• उदाहरण: मेथेन (CH₄), ईथेन (C₂H₆), प्रोपेन (C₃H₈) ।

(ब) असंतृप्त हाइड्रोकार्बन (Unsaturated)

• इनमें द्विबंध (C=C) या त्रिबंध (C≡C) होते हैं ।
• ये अधिक अभिक्रियाशील होते हैं और योगात्मक अभिक्रिया (Addition Reaction) करते हैं ।
• ऐल्कीन (Alkenes): C=C द्विबंध, सूत्र CₙH₂ₙ, उदा: एथीन (C₂H₄) ।
• ऐल्काइन (Alkynes): C≡C त्रिबंध, सूत्र CₙH₂ₙ₋₂, उदा: एथाइन (C₂H₂) ।

🧪 परीक्षा टिप: असंतृप्त हाइड्रोकार्बन ब्रोमीन जल (लाल-भूरा) को रंगहीन कर देते हैं, जबकि संतृप्त नहीं करते ।

6. समजातीय श्रेणी (Homologous Series)

कार्बनिक यौगिकों का एक समूह जिसमें :

1. एक ही क्रियाशील समूह (functional group) होता है ।
2. समान रासायनिक गुण होते हैं।
3. प्रत्येक सदस्य पिछले सदस्य से -CH₂- (14 u) से भिन्न होता है ।
4. एक सामान्य सूत्र (general formula) होता है ।

उदाहरण — ऐल्केन श्रेणी: CH₄, C₂H₆, C₃H₈, C₄H₁₀...

7. क्रियाशील समूह (Functional Groups) और IUPAC नामकरण

क्रियाशील समूह

यह परमाणुओं का एक विशेष समूह है जो यौगिक के रासायनिक गुणों को निर्धारित करता है ।

क्रियाशील समूह (Functional Group)	सूत्र	प्रत्यय (Suffix)	उदाहरण
ऐल्कोहॉल (Alcohol)	-OH	-ol	ऐथेनॉल (C₂H₅OH)
ऐल्डिहाइड (Aldehyde)	-CHO	-al	ऐथेनल (CH₃CHO)
कीटोन (Ketone)	>C=O	-one	प्रोपेनोन (CH₃COCH₃)
कार्बोक्सिलिक अम्ल (Carboxylic Acid)	-COOH	-oic acid	ऐथेनोइक अम्ल (CH₃COOH)

IUPAC नामकरण के नियम :

1. सबसे लंबी कार्बन श्रृंखला चुनें (Parent Chain)।
2. श्रृंखला को प्रतिस्थापी (substituent) के निकटतम सिरे से क्रमांकित (numbering) करें ।
3. प्रतिस्थापी का नाम और उसकी स्थिति (संख्या) लिखें ।
4. मूल नाम के साथ जोड़ें।

8. कार्बन यौगिकों की रासायनिक अभिक्रियाएँ

(i) दहन (Combustion) — ऊष्मा और प्रकाश के साथ जलना

कार्बन यौगिक ऑक्सीजन में जलकर CO₂ और H₂O देते हैं ।

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + ऊष्मा + प्रकाश

• संतृप्त HC: साफ नीली लौ से जलते हैं।
• असंतृप्त HC: पीली, कालिखयुक्त लौ (अपूर्ण दहन) से जलते हैं ।

(ii) ऑक्सीकरण (Oxidation)

ऑक्सीकारक (जैसे: KMnO₄ या K₂Cr₂O₇) का उपयोग कर ऐल्कोहॉल को कार्बोक्सिलिक अम्ल में बदलना ।

C₂H₅OH --(KMnO₄)--> CH₃COOH

(iii) योगात्मक अभिक्रिया (Addition Reaction) — असंतृप्त HC में

हाइड्रोजन मिलाकर असंतृप्त को संतृप्त में बदलना ।

CH₂=CH₂ + H₂ --(Ni उत्प्रेरक)--> CH₃-CH₃

इसका उपयोग वनस्पति तेलों के हाइड्रोजनीकरण (वनस्पति घी बनाने) में होता है ।

(iv) प्रतिस्थापन अभिक्रिया (Substitution) — संतृप्त HC में

एक परमाणु या समूह का दूसरे से प्रतिस्थापन ।

CH₄ + Cl₂ --(सूर्य प्रकाश)--> CH₃Cl + HCl

9. महत्वपूर्ण यौगिक: ऐथेनॉल और ऐथेनोइक अम्ल

(A) ऐथेनॉल (C₂H₅OH) — एथिल ऐल्कोहॉल

• गुण: रंगहीन द्रव, सुखद गंध, जल में घुलनशील।
• अभिक्रियाएँ:
  • सोडियम के साथ:
    2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂↑
  • निर्जलीकरण (Dehydration):
    C₂H₅OH --(H₂SO₄, 443K)--> CH₂=CH₂ + H₂O
• उपयोग: विलायक, ईंधन, पेय पदार्थों में।
• हानि: अत्यधिक सेवन से लीवर खराब (सिरोसिस) ।

(B) ऐथेनोइक अम्ल (CH₃COOH) — एसिटिक अम्ल

• गुण: रंगहीन, खट्टा स्वाद, सिरका में 5-8%। 290 K पर जम जाता है, इसलिए इसे हिमनद एसिटिक अम्ल (Glacial Acetic Acid) कहते हैं ।
• अभिक्रियाएँ:
  • कार्बोनेट/बाइकार्बोनेट के साथ:
    CH₃COOH + NaHCO₃ → CH₃COONa + CO₂ + H₂O
    (इससे CO₂ गैस निकलती है, जो लिटमस को लाल कर देती है) ।
  • एस्टरीकरण (Esterification):
    CH₃COOH + C₂H₅OH → CH₃COOC₂H₅ + H₂O
  • एस्टर मीठी/फल जैसी गंध वाले होते हैं, इनका उपयोग इत्र और खुशबू में होता है ।

10. साबुन और अपमार्जक (Soaps & Detergents)

साबुन (Soap)

• ये वसीय अम्लों (long-chain fatty acids) के सोडियम या पोटैशियम लवण होते हैं ।
• साबुनीकरण (Saponification): वसा + NaOH → साबुन + ग्लिसरॉल ।

साबुन की सफाई क्रिया — मिसेल (Micelle) निर्माण

साबुन के अणु में दो सिरे होते हैं:

1. हाइड्रोफोबिक पूँछ (Hydrophobic tail): यह तेल/ग्रीस से आकर्षित होती है।
2. हाइड्रोफिलिक सिर (Hydrophilic head): यह पानी से आकर्षित होता है।

जब हम कपड़े धोते हैं, तो साबुन के अणु एक गोलाकार संरचना मिसेल बनाते हैं। इसमें गंदगी (तेल) बीच में फँस जाती है और पानी के साथ बह जाती है ।

साबुन बनाम अपमार्जक

• साबुन: कठोर जल (जिसमें Ca²⁺, Mg²⁺ लवण हों) में झाग/मैल (scum) बनाता है और सफाई प्रभाव कम हो जाता है।
• अपमार्जक (Detergent): ये पेट्रोरसायन से बनते हैं और कठोर जल में भी झाग नहीं बनाते, इसलिए ये अधिक प्रभावी होते हैं ।

11. परीक्षा के लिए महत्वपूर्ण अंतर (तुलना)

संतृप्त HC vs असंतृप्त HC

संतृप्त HC	असंतृप्त HC
केवल एकल (C-C)	द्वि/त्रिबंध (C=C / C≡C)
कम अभिक्रियाशील	अधिक अभिक्रियाशील
प्रतिस्थापन (Substitution)	योगात्मक (Addition)
ईथेन (C₂H₆)	एथीन (C₂H₄), एथाइन (C₂H₂)

ऐथेनॉल vs ऐथेनोइक अम्ल

ऐथेनॉल	ऐथेनोइक अम्ल
NaHCO₃ से कोई अभिक्रिया नहीं	CO₂ गैस निकलती है
लिटमस पर कोई प्रभाव नहीं	नीला लिटमस → लाल
pH उदासीन (लगभग 7)	pH अम्लीय (pH < 7)

📘 निष्कर्ष

कार्बन और उसके यौगिकों का अध्ययन हमें दिखाता है कि कैसे यह एक तत्व अपनी अद्वितीय शृंखलन और चतुःसंयोजकता की क्षमता के कारण लाखों यौगिकों का निर्माण करता है । यह अध्याय न केवल परीक्षा की दृष्टि से महत्वपूर्ण है, बल्कि हमारे दैनिक जीवन में उपयोग होने वाले ईंधन, दवाइयों, और साबुन जैसी चीजों को समझने के लिए भी आधारभूत है ।

⚡ कक्षा 10वीं विज्ञान — अध्याय 4: कार्बन एवं उसके यौगिक · संपूर्ण NCERT आधारित नोट्स