NCERT Solutions Class 10 Science Chapter 4 (Hindi Medium) – Carbon and its Compounds

CO₂ में कार्बन के पास 4 संयोजकता इलेक्ट्रॉन हैं और हर ऑक्सीजन के पास 6। कार्बन अपने 4 इलेक्ट्रॉनों को दो ऑक्सीजन परमाणुओं के साथ साझा करता है — हर ऑक्सीजन के साथ 2 इलेक्ट्रॉन जोड़े, यानी द्वि-बंध।

O = C = O

इलेक्ट्रॉन डॉट रूप में: कार्बन और हर ऑक्सीजन के बीच दो साझा इलेक्ट्रॉन जोड़े (4 बिंदु) दिखाए जाते हैं, और हर ऑक्सीजन परमाणु पर 2 अकेले जोड़े (4 बिंदु) बचते हैं। इस तरह कार्बन के पास 8 इलेक्ट्रॉन हो जाते हैं और हर ऑक्सीजन के पास भी 8 — दोनों का अष्टक (octet) पूरा।

सल्फर का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास 2,8,6 है — यानी हर S परमाणु के पास 6 संयोजकता इलेक्ट्रॉन। अष्टक पूरा करने के लिए हर सल्फर परमाणु को सिर्फ 2 और इलेक्ट्रॉन चाहिए।

S₈ में आठ सल्फर परमाणु एक रिंग (क्राउन आकार) में जुड़े होते हैं। हर सल्फर अपने दोनों पड़ोसी सल्फर परमाणुओं के साथ एक-एक एकल सहसंयोजक बंध बनाता है (हर बंध में 1 साझा जोड़ा), और उसके पास 2 अकेले जोड़े (4 बिंदु) बचते हैं।

S–S–S–S–S–S–S–S (आठ परमाणुओं की बंद रिंग)

कुल 8 एकल S–S बंध। हर परमाणु: 2 बंधन जोड़े + 2 अकेले जोड़े = 8 इलेक्ट्रॉन = अष्टक पूरा।

पेंटेन का सूत्र C₅H₁₂ है और इसके 3 संरचनात्मक समावयवी बनते हैं:

• n-पेंटेन — सीधी शृंखला: CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃
• आइसो-पेंटेन (2-मेथिलब्यूटेन) — 4 कार्बन की शृंखला, दूसरे कार्बन पर एक CH₃ शाखा।
• नियो-पेंटेन (2,2-डाइमेथिलप्रोपेन) — 3 कार्बन की शृंखला, बीच वाले कार्बन पर दो CH₃ शाखाएँ।

तीनों का आण्विक सूत्र समान C₅H₁₂ है, केवल कार्बन कंकाल (skeleton) की व्यवस्था अलग है।

दो गुण हैं:

• श्रृंखलन (catenation) — कार्बन अपने ही दूसरे कार्बन परमाणुओं के साथ बंध बनाकर लंबी शृंखलाएँ, शाखित शृंखलाएँ और वलय (rings) बना लेता है। C–C बंध बहुत मज़बूत होने के कारण ये संरचनाएँ स्थिर रहती हैं। कोई और तत्व इतनी लंबी स्थिर शृंखलाएँ नहीं बना पाता।
• चतुःसंयोजकता (tetravalency) — कार्बन के पास 4 संयोजकता इलेक्ट्रॉन हैं, इसलिए यह 4 अन्य परमाणुओं (कार्बन, हाइड्रोजन, ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, सल्फर, हैलोजन) के साथ सहसंयोजक बंध बना सकता है। इससे बहुत ज़्यादा संयोजन संभव हो जाते हैं।

साइक्लोपेंटेन एक चक्रीय संतृप्त हाइड्रोकार्बन है जिसमें 5 कार्बन एक वलय में जुड़े हैं। वलय वाले संतृप्त हाइड्रोकार्बन का सामान्य सूत्र C_nH_2n होता है, तो n = 5 पर:

सूत्र = C₅H₁₀

संरचना: पाँच कार्बन परमाणु एक बंद पंचकोण (pentagon) वलय बनाते हैं। हर कार्बन अपने दो पड़ोसी कार्बन परमाणुओं के साथ एक-एक एकल बंध बनाता है और बचे दो बंधों से दो हाइड्रोजन परमाणु जोड़ता है।

इलेक्ट्रॉन डॉट में: हर C–C और हर C–H बंध को एक साझा इलेक्ट्रॉन जोड़े (दो बिंदु) से दिखाया जाता है। हर कार्बन के पास कुल 4 साझा जोड़े = 8 इलेक्ट्रॉन, अष्टक पूरा। कोई अकेला जोड़ा नहीं।

(i) एथेनोइक एसिड — CH₃COOH
दो कार्बन; दूसरे कार्बन पर –COOH समूह (C का O के साथ द्वि-बंध और –OH समूह)।

CH₃ – COOH

(ii) ब्रोमोपेंटेन — C₅H₁₁Br
पाँच कार्बन की शृंखला, एक हाइड्रोजन की जगह –Br।

CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₂Br  (1-ब्रोमोपेंटेन)

हाँ, संरचनात्मक समावयवी संभव हैं। सीधी शृंखला में ही Br की स्थिति बदलने से तीन समावयवी मिलते हैं — 1-ब्रोमोपेंटेन, 2-ब्रोमोपेंटेन और 3-ब्रोमोपेंटेन (और शाखित शृंखला लेने पर और भी बनते हैं)।

(iii) ब्यूटेनोन — CH₃COCH₂CH₃
चार कार्बन, दूसरे कार्बन पर कीटोन (>C=O) समूह।

CH₃ – CO – CH₂ – CH₃

(iv) हेक्सेनल — CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CHO
छह कार्बन, शृंखला के एक सिरे पर एल्डिहाइड (–CHO) समूह।

CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CHO

(i) CH₃—CH₂—Br → ब्रोमोएथेन
दो कार्बन = eth-, संतृप्त = -ane, और हैलोजन प्रत्यय (prefix) के रूप में = bromo। इसलिए ब्रोमोएथेन।

(ii) HCHO → मेथेनल
एक कार्बन = meth-, एल्डिहाइड समूह –CHO का सफिक्स = -al। 'मीथेन' से अंतिम 'e' हटाकर मेथेनल।

(iii) H—C≡C—CH₂—CH₂—CH₂—CH₃ → हेक्साइन (हेक्स-1-आइन)
छह कार्बन = hex-, त्रि-बंध है = -yne। त्रि-बंध पहले कार्बन पर है, इसलिए हेक्स-1-आइन।

जब एथेनॉल को क्षारीय KMnO₄ या अम्लीकृत K₂Cr₂O₇ के साथ गर्म करते हैं तो एथेनोइक एसिड बनता है:

CH₃CH₂OH ^{Alkaline KMnO₄ + Heat}→ CH₃COOH

इस अभिक्रिया में एथेनॉल (C₂H₆O) में ऑक्सीजन जुड़ता है और हाइड्रोजन हटता है। किसी यौगिक में ऑक्सीजन का जुड़ना या हाइड्रोजन का हटना — दोनों ही ऑक्सीकरण कहलाते हैं। इसलिए यह एक ऑक्सीकरण अभिक्रिया है।

यहाँ KMnO₄ / K₂Cr₂O₇ ऑक्सीकारक (oxidising agent) का काम करते हैं।

एथाइन (C₂H₂) एक असंतृप्त हाइड्रोकार्बन है। वायु में ऑक्सीजन केवल लगभग 21% होती है, इसलिए वायु के साथ जलाने पर अपूर्ण दहन होता है — पीली धुएँदार लौ बनती है और तापमान कम रहता है। साथ ही कालिख (कार्बन कण) निकलती है।

शुद्ध ऑक्सीजन के साथ जलाने पर पूर्ण दहन होता है और बहुत ही उच्च तापमान की स्वच्छ नीली लौ (ऑक्सी-एसिटिलीन लौ) मिलती है, जो धातुओं को पिघलाकर वेल्ड करने के लिए ज़रूरी है।

2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O + heat

इसलिए वेल्डिंग में एथाइन + वायु नहीं, बल्कि एथाइन + ऑक्सीजन का मिश्रण उपयोग होता है।

दो सरल परीक्षण हैं:

(a) सोडियम कार्बोनेट / सोडियम हाइड्रोजनकार्बोनेट परीक्षण (सबसे अच्छा टेस्ट):
दोनों को अलग-अलग परखनली में NaHCO₃ या Na₂CO₃ विलयन के साथ मिलाइए।

• कार्बोक्सिलिक एसिड — तेज़ बुलबुले (brisk effervescence) देता है, CO₂ गैस निकलती है जो चूने के पानी को दूधिया कर देती है।
• एल्कोहॉल — कोई अभिक्रिया नहीं, कोई गैस नहीं।

CH₃COOH + NaHCO₃ → CH₃COONa + H₂O + CO₂↑

(b) लिटमस परीक्षण:
कार्बोक्सिलिक एसिड नीले लिटमस को लाल कर देता है; एल्कोहॉल लिटमस पर कोई असर नहीं करता (वह उदासीन है)।

वे पदार्थ जो दूसरे पदार्थों को ऑक्सीजन देते हैं या उनसे हाइड्रोजन छीन लेते हैं — यानी दूसरे को ऑक्सीकृत करते हैं और खुद अवकृत (reduce) हो जाते हैं — उन्हें ऑक्सीकारक कहते हैं।

सामान्य उदाहरण: क्षारीय पोटैशियम परमैंगनेट (KMnO₄), अम्लीकृत पोटैशियम डाइक्रोमेट (K₂Cr₂O₇)।

CH₃CH₂OH ^{Alkaline KMnO₄ + Heat}→ CH₃COOH

यहाँ KMnO₄ एथेनॉल को ऑक्सीजन देता है, इसलिए वह ऑक्सीकारक है।

नहीं। डिटर्जेंट से कठोर जल की जाँच नहीं की जा सकती।

डिटर्जेंट अमोनियम या सल्फोनेट लवण होते हैं और इनके कैल्शियम और मैग्नीशियम लवण भी पानी में घुलनशील रहते हैं। इसलिए डिटर्जेंट कठोर जल और मृदु जल — दोनों में अच्छी तरह झाग (lather) देता है और कोई फर्क नहीं दिखता।

कठोर जल की जाँच करने के लिए साबुन का उपयोग करते हैं: मृदु जल में साबुन अच्छा झाग देता है, जबकि कठोर जल में झाग के बजाय स्कम (सफेद अघुलनशील परत) बनता है।

साबुन के अणुओं का हाइड्रोफोबिक (पूँछ) सिरा तैलीय गंदगी में घुस जाता है और हाइड्रोफिलिक (सिर) सिरा पानी की ओर रहता है — इस तरह गंदगी के चारों ओर मिसेल बन जाता है।

लेकिन यह मिसेल में फँसी गंदगी अभी भी कपड़े के रेशे से चिपकी हुई रहती है। इसे कपड़े से अलग करने के लिए यांत्रिक ऊर्जा चाहिए।

पीटना, रगड़ना या वॉशिंग मशीन में घुमाने से वही यांत्रिक बल मिलता है, जिससे गंदगी कपड़े से उखड़कर पानी में इमल्शन के रूप में तैरने लगती है और पानी के साथ बह जाती है। इसीलिए रगड़ना ज़रूरी है।

उत्तर: (b) 7 सहसंयोजक बंध

एथेन में 1 C–C बंध और 6 C–H बंध होते हैं (हर कार्बन 3 हाइड्रोजन से जुड़ा है)। कुल = 1 + 6 = 7 सहसंयोजक बंध।

उत्तर: (c) कीटोन

नाम के अंत में सफिक्स '-one' कीटोन ग्रुप (>C=O, चेन के बीच में) को दर्शाता है। ब्यूटेनोन की संरचना CH₃–CO–CH₂–CH₃ है।

उत्तर: (b) ईंधन पूरी तरह नहीं जल रहा

ऑक्सीजन की सप्लाई कम होने पर ईंधन का अपूर्ण दहन (incomplete combustion) होता है, जिससे बिना जले कार्बन कण (कालिख) निकलते हैं और बर्तन का पेंदा काला पड़ जाता है। गैस बर्नर के हवा वाले छेद बंद हो जाएँ तो ऐसा ही होता है — उन्हें साफ करने से फ्लेम फिर नीली हो जाती है।

कार्बन के पास 4 संयोजकता इलेक्ट्रॉन हैं, हाइड्रोजन के पास 1 और क्लोरीन के पास 7।

CH₃Cl में कार्बन अपने 4 इलेक्ट्रॉनों में से:

• 3 इलेक्ट्रॉन तीन हाइड्रोजन परमाणुओं के साथ साझा करता है → 3 C–H एकल सहसंयोजक बंध। हर हाइड्रोजन का ड्यूप्लेट (2 इलेक्ट्रॉन) पूरा हो जाता है।
• 1 इलेक्ट्रॉन क्लोरीन के साथ साझा करता है → 1 C–Cl एकल सहसंयोजक बंध। क्लोरीन का ऑक्टेट (8 इलेक्ट्रॉन) पूरा हो जाता है।

H – C(H)(H) – Cl   (4 एकल सहसंयोजक बंध)

प्रकृति: इसमें कोई इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण नहीं होता, केवल साझाकरण (sharing) होता है — इसलिए यह सहसंयोजक बंध है। हर साझा जोड़ा दोनों परमाणुओं के नाभिक को आकर्षित करता है, जिससे मज़बूत बंध बनता है। चूँकि कोई आयन नहीं बनता, CH₃Cl बिजली का चालन नहीं करता और इसका गलनांक/क्वथनांक कम होता है।

(a) एथेनोइक एसिड, CH₃COOH
पहला कार्बन 3 हाइड्रोजन से 3 एकल बंध बनाता है और दूसरे कार्बन से 1 एकल बंध। दूसरा कार्बन एक ऑक्सीजन से द्वि-बंध (2 साझा जोड़े) और दूसरी ऑक्सीजन से एकल बंध बनाता है; उस ऑक्सीजन से एक हाइड्रोजन जुड़ा होता है। द्वि-बंध वाले O पर 2 अकेले जोड़े, –OH वाले O पर 2 अकेले जोड़े।

CH₃ – C(=O) – O – H

(b) H₂S
सल्फर (2,8,6) के पास 6 संयोजकता इलेक्ट्रॉन हैं। यह दो हाइड्रोजन के साथ 2 एकल बंध (2 साझा जोड़े) बनाता है और उसके पास 2 अकेले जोड़े बचते हैं।

H – S – H  (S पर 2 अकेले जोड़े)

(c) प्रोपेनोन, CH₃COCH₃
बीच वाला कार्बन ऑक्सीजन के साथ द्वि-बंध बनाता है और दोनों तरफ के CH₃ समूहों से एक-एक एकल बंध। ऑक्सीजन पर 2 अकेले जोड़े।

CH₃ – C(=O) – CH₃

(d) F₂
फ्लोरीन (2,7) के पास 7 संयोजकता इलेक्ट्रॉन हैं। दो फ्लोरीन परमाणु एक इलेक्ट्रॉन जोड़ा साझा करके एकल बंध बनाते हैं; हर F पर 3 अकेले जोड़े बचते हैं।

F – F  (हर F पर 3 अकेले जोड़े)

समजातीय श्रेणी ऐसे कार्बन यौगिकों की श्रेणी है जिसमें सभी सदस्यों में समान फंक्शनल ग्रुप होता है और हर सदस्य अपने पिछले सदस्य से –CH₂ इकाई से बढ़ता है।

विशेषताएँ:

• क्रमागत सदस्यों के आण्विक द्रव्यमान का अंतर 14 u होता है।
• सभी सदस्यों के रासायनिक गुण समान होते हैं (क्योंकि फंक्शनल ग्रुप समान है)।
• भौतिक गुण (गलनांक, क्वथनांक, विलेयता) आण्विक द्रव्यमान बढ़ने के साथ धीरे-धीरे बदलते हैं।
• सभी को एक सामान्य सूत्र से दर्शाया जा सकता है।

उदाहरण — एल्केन श्रेणी (सामान्य सूत्र C_nH_2n+2):

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देखिए — हर बार अंतर 14 u का है।

भौतिक गुण:

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रासायनिक गुण:

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CH₃COOH + NaHCO₃ → CH₃COONa + H₂O + CO₂↑

सबसे अच्छा टेस्ट: सोडियम हाइड्रोजनकार्बोनेट टेस्ट — केवल एथेनोइक एसिड बुलबुले देता है।

साबुन के अणु के दो अलग-अलग सिरे होते हैं:

• आयनिक सिर (–COO^–Na⁺) — हाइड्रोफिलिक, पानी में घुलता है।
• लंबी हाइड्रोकार्बन पूँछ — हाइड्रोफोबिक, पानी में नहीं घुलती पर तेल/चिकनाई में घुलती है।

जब साबुन पानी में डाला जाता है तो हाइड्रोकार्बन पूँछ पानी से दूर भागती है, इसलिए साबुन के अणु ऐसा गुच्छा (cluster) बना लेते हैं जिसमें पूँछ अंदर की ओर (तेल की ओर) और आयनिक सिर बाहर पानी की ओर होते हैं। इसी गोलाकार गुच्छे को मिसेल कहते हैं।

एथेनॉल में मिसेल नहीं बनेगा। एथेनॉल एक कार्बनिक विलायक है जिसमें साबुन की हाइड्रोकार्बन पूँछ आसानी से घुल जाती है। जब पूँछ विलायक से भागने की कोशिश नहीं करती, तो गुच्छा बनाने की कोई ज़रूरत ही नहीं रहती — इसलिए मिसेल नहीं बनता।

क्योंकि कार्बन और उसके यौगिक जलने पर बहुत अधिक ऊष्मा और प्रकाश देते हैं। इसके कारण:

• इनका कैलोरी मान (calorific value) उच्च होता है — थोड़ी सी मात्रा से काफी ऊर्जा मिलती है।
• ऑक्सीजन की पर्याप्त सप्लाई में ये पूरी तरह जलते हैं और सिर्फ CO₂ और H₂O देते हैं — धुआँ या अवशेष नहीं बचता।
• ये आसानी से उपलब्ध हैं (कोयला, पेट्रोलियम, प्राकृतिक गैस, LPG, CNG) और इन्हें संभालना/संग्रहित करना आसान है।
• प्रज्वलन ताप उचित होता है — न इतना कम कि खुद आग पकड़ ले, न इतना ज़्यादा कि जलाना मुश्किल हो।

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + heat & light

कठोर जल (hard water) में कैल्शियम (Ca²⁺) और मैग्नीशियम (Mg²⁺) आयनों के लवण घुले होते हैं।

साबुन सोडियम या पोटैशियम का लवण होता है — लंबी शृंखला वाले कार्बोक्सिलिक एसिड का। जब साबुन कठोर जल में डाला जाता है, तो साबुन के ऋणायन इन Ca²⁺/Mg²⁺ आयनों के साथ अभिक्रिया करके कैल्शियम और मैग्नीशियम के अघुलनशील लवण बना लेते हैं।

2C₁₇H₃₅COONa + CaCl₂ → (C₁₇H₃₅COO)₂Ca↓ + 2NaCl

यह अघुलनशील सफेद अवक्षेप पानी की सतह पर सफेद चिपचिपी परत की तरह जम जाता है — इसी को स्कम कहते हैं।

इसकी वजह से साबुन झाग (lather) नहीं दे पाता और काफी साबुन बर्बाद हो जाता है — कपड़े साफ करने के लिए ज़्यादा साबुन लगाना पड़ता है।

साबुन एक प्रबल क्षार (NaOH/KOH) और एक दुर्बल कार्बोक्सिलिक एसिड का लवण है। पानी में घुलने पर यह हाइड्रोलिसिस की वजह से क्षारीय (basic) विलयन देता है।

• लाल लिटमस पेपर → नीला हो जाएगा।
• नीला लिटमस पेपर → नीला ही रहेगा (कोई बदलाव नहीं)।

यही वजह है कि साबुन के विलयन का pH 7 से अधिक होता है और हाथ पर चिकना/फिसलन जैसा महसूस होता है।

हाइड्रोजनीकरण वह योगात्मक अभिक्रिया (addition reaction) है जिसमें असंतृप्त हाइड्रोकार्बन में निकल या पैलेडियम उत्प्रेरक की उपस्थिति में हाइड्रोजन जोड़ा जाता है, जिससे वह संतृप्त बन जाता है।

CH₂=CH₂ + H₂ ^{Ni catalyst}→ CH₃–CH₃

औद्योगिक उपयोग: वनस्पति तेलों को वनस्पति घी में बदलने के लिए। वनस्पति तेलों में असंतृप्त (द्वि-बंध वाली) लंबी शृंखलाएँ होती हैं और वे तरल होते हैं। निकल उत्प्रेरक के साथ हाइड्रोजन प्रवाहित करने पर ये संतृप्त हो जाते हैं और कमरे के तापमान पर ठोस वसा (solid fat) बन जाते हैं।

नोट: स्वास्थ्य के लिए असंतृप्त (वनस्पति) तेल बेहतर माने जाते हैं; संतृप्त वसा अधिक खाना सेहत के लिए अच्छा नहीं होता।

योगात्मक अभिक्रिया केवल असंतृप्त हाइड्रोकार्बन (जिनमें द्वि-बंध या त्रि-बंध है) देते हैं।

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उत्तर: C₃H₆ और C₂H₂ योगात्मक अभिक्रिया देते हैं। बाकी तीन संतृप्त हैं, वे प्रतिस्थापन अभिक्रिया (substitution reaction) देते हैं।

मक्खन में मुख्य रूप से संतृप्त वसा होती है, जबकि खाना पकाने के तेल में असंतृप्त वसा होती है। असंतृप्तता परीक्षण से दोनों को अलग किया जा सकता है।

टेस्ट 1 — ब्रोमीन जल परीक्षण: दोनों के नमूनों में अलग-अलग ब्रोमीन जल की कुछ बूँदें डालिए।

• खाना पकाने का तेल — ब्रोमीन जल का नारंगी/भूरा रंग हट जाता है (रंगहीन हो जाता है), क्योंकि द्वि-बंध पर ब्रोमीन जुड़ जाता है।
• मक्खन — रंग वैसा ही रहता है (संतृप्त होने के कारण योगात्मक अभिक्रिया नहीं होती)।

टेस्ट 2 — क्षारीय KMnO₄ परीक्षण: खाना पकाने का तेल क्षारीय पोटैशियम परमैंगनेट का बैंगनी रंग रंगहीन कर देता है; मक्खन नहीं करता।

कपड़ों पर लगी अधिकतर गंदगी तेल या चिकनाई में फँसी होती है, और तेल पानी में घुलता नहीं — इसलिए सिर्फ पानी से गंदगी नहीं निकलती। साबुन का काम यहीं से शुरू होता है।

चरण 1 — साबुन की संरचना: साबुन के अणु के दो सिरे होते हैं — एक हाइड्रोफोबिक हाइड्रोकार्बन पूँछ (तेल में घुलने वाली) और एक हाइड्रोफिलिक आयनिक सिर –COO^–Na⁺ (पानी में घुलने वाला)।

चरण 2 — मिसेल निर्माण: पानी में डालते ही साबुन के अणुओं की पूँछें तैलीय गंदगी के अंदर घुस जाती हैं और आयनिक सिर बाहर पानी की ओर रहते हैं। इस तरह तेल की बूँद के चारों ओर एक गोलाकार गुच्छा बन जाता है — मिसेल।

चरण 3 — रगड़ना (agitation): पीटना, रगड़ना या वॉशिंग मशीन की रगड़ से मिसेल में फँसी गंदगी कपड़े से अलग होकर पानी में आ जाती है।

चरण 4 — इमल्शन और धोना: मिसेल के बाहर के आयनिक सिर एक-दूसरे को प्रतिकर्षित (repel) करते हैं, इसलिए तेल की बूँदें फिर से आपस में नहीं जुड़तीं और पानी में इमल्शन के रूप में तैरती रहती हैं। साफ पानी से धोते ही यह सारी गंदगी बह जाती है और कपड़ा साफ हो जाता है।