कार्बन (Carbon)

वनस्पती व प्राणी यांच्यापासून प्रत्यक्ष अथवा अप्रत्यक्षपणे मिळणाऱ्या संयुगांना सेंद्रिय संयुगे म्हणतात, तसेच खनिजांपासून मिळणारी संयुगे ही असेंद्रिय संयुगे म्हणून ओळखली जातात. आपले आनुवांशिक गुणधर्म एका पिढीकडून दुसऱ्या पिढीकडे संक्रमित करणारे पेशीतील DNA व RNA यांमध्येदेखील कार्बन हा एक प्रमुख घटक आहे.

कार्बनचा आढळ (Occurrence of Carbon )

लॅटिन भाषेमध्ये ‘कार्बो’ म्हणजेकोळसा. यावरून ‘कार्बन’ हे नाव प्राप्त झालेआहे. निसर्गामध्ये कार्बन हा मुक्त व संयुगावस्थेत आढळतो. मुक्तअवस्थेतकार्बन हिरा, ग्रॅफाइट याअवस्थेत आढळतो. संयुक्तावस्थेत कार्बन खालील संयुगांमध्ये असतो.

1. कार्बन डायऑक्साइड, कार्बोनेटच्या स्वरूपात उदाहरणार्थ
कॅल्शियम कार्बोनेट, मार्बल, कॅलामाइन (ZnCO3)
2. जीवाश्म इंधने-दगडी कोळसा, पेट्रोलिअम, नैसर्गिक वायू
3. कार्बनी पोषद्रव्ये – पिष्टमय पदार्थ, प्रथिने, मेद
4. नैसर्गिक धागे- कापूस, लोकर, रेशीम

कार्बनचे गुणधर्म(Properties of Carbon)

कार्बनची अपरूपता

अपरूपता (Allotropy) – निसर्गात काही मूलद्रव्ये एकापेक्षा अधिक रूपांत आढळतात. त्यांचेरासायनिक गुणधर्म सारखेअसलेतरी भौतिक गुणधर्म भिन्न असतात. मूलद्रव्यांच्या या गुणधर्माला ‘अपरूपता’ असेम्हणतात. कार्बनप्रमाणेच सल्फर, फॉस्फरस ही मूलद्रव्ये सुद्धा अपरूपता दर्शवतात

कार्बनची अपरूपे (Allotropes of Carbon)

अ. स्फटिक रूपे(Crystalline forms)

1. स्फटिक रूपातील अणूंची रचना नियमित अाणि निश्चित असते.
2. यांचे द्रवणांक व उत्कलनांक उच्च असतात.
3. स्फटिक रूपातील पदार्थांना निश्चित भौमितिक रचना, तीक्ष्ण कडा व सपाट पृष्ठभाग असतात.
कार्बनची तीन स्फटिकी अपरूपे आहेत.

1. हिरा (Diamond)

भारतामध्ये प्रामुख्याने हिरा गोवळकोंडा(तेलंगण) व पन्ना (मध्यप्रदेश) येथेसापडतो. भारताप्रमाणेच दक्षिण आफ्रिका, ब्राझिल, बेल्जियम, रशिया, अमेरिका या देशांमध्येही हिरा सापडतो.

रचना ः हिऱ्यात प्रत्येक कार्बन अणूहा शेजारील चार कार्बन अणूंशी सहसंयुज बंधाने बांधलेला असतो. ह्या दृढ अशा त्रिमितीय रचनेमुळे हिऱ्यांना कठिणपणा प्राप्त होतो.

गुणधर्म
1. तेजस्वी व शुद्ध हिरा हा नैसर्गिक पदार्थांत सर्वांत कठीण असणारा पदार्थ आहे.
2. हिऱ्याची घनता 3.5 g/cm3 आहे.
3. द्रवणांक 3500 ० C आहे.
4. ऑक्सिजनच्या सान्निध्यात 800०C ला हिरा तापविल्यास CO
2 बाहेर टाकला जातो. या प्रक्रियेत CO
2 शिवाय कोणतेही उत्पादित तयार होत नाही.
5. कोणत्याही द्रावकात हिरा विरघळत नाही.
6. हिऱ्यावर अाम्ल/आम्लारी यांचा काहीहीपरिणाम होत नाही.
7. हिरा विद्युत दुर्वाहक असतो कारण त्यात मुक्त इलेक्ट्रॉन नसतात.

उपयोग
1. काच कापण्याच्या व खडकाला छिद्र पाडण्याच्या उपकरणांत हिरे वापरतात.
2. अलंकार तयार करण्यासाठी हिऱ्याचा उपयोग होतो.
3. डोळ्यांची शस्त्रक्रिया करण्याच्या उपकरणांमध्ये हिऱ्याचा वापर करतात.
4. हिऱ्याच्या भुकटीचा वापर दुसऱ्या हिऱ्यांना चकाकी देण्यासाठी करतात.
5. हिऱ्याचाउपयोग अवकाशात व कृत्रिम उपग्रहांमध्ये प्रारणापासून संरक्षण देणाऱ्या खिडक्या तयार करण्यासाठी करतात.

2. ग्रॅफाइट (Graphite)

नैसर्गिक स्वरूपात ग्रॅफाइट रशिया, न्यूझिलंड, अमेरिका व भारतात आढळते. ग्रॅफाइटचा शोध निकोलस जॅक्स कॉन्टी यांनी 1795 साली लावला होता. पेन्सिलमध्येवापरले जाणारे लेड हे ग्रॅफाइट व मातीपासून बनवलेले असते.

रचना ः ग्रॅफाइटमध्येकार्बनचा प्रत्येक अणूइतर तीन कार्बन अणूंसोबत अशाप्रकारे बंधित असतो की त्यामुळे त्याची प्रतलीय षटकोनी रचना तयार होते. ग्रॅफाइटचा स्फटिक हा अनेक पापुद्र्यांचा किंवा अणूंच्या स्तरांचा बनलेला असतो. दाब दिल्यास ग्रॅफाइटचे हे स्तर एकमेकांवर घसरतात. ग्रॅफाइटच्या एका पापुद्र्याला ग्राफीन म्हणतात.

ग्रॅफाइटचे गुणधर्म
1. निसर्गतः सापडणारे ग्रॅफाइट काळे, मऊ, ठिसूळ व गुळगुळीत असते.
2. ग्रॅफाइटमध्येआतील संपूर्ण स्तरात मुक्त इलेक्ट्रॉन फिरत असतात म्हणून हे विद्युत सुवाहक आहे.
3. थरांच्या रचनेमुळे कागदावर उमटण्याची क्षमता यात असते.
4. ग्रॅफाइटची घनता 1.9 ते 2.3 g/cm3 इतकी आहे.
5. ग्रॅफाइट हे बहुतांश द्रावकांत विरघळत नाही.

ग्रॅफाइटचे उपयोग

1. ग्रॅफाइटचा उपयोग वंगण तयार करण्यासाठी करतात.
2. कार्बन इलेक्ट्रोड तयार करण्यासाठी ग्रॅफाइटचा वापर करतात.
3. ग्रॅफाइटचा वापर लिहिण्याच्या पेन्सिलमध्येकेला जातो.
4. रंग, पॉलिश यांच्यातही ग्रॅफाइटचा वापर करतात.
5. खूप प्रकाश देणाऱ्या आर्कलॅम्पमध्येग्रॅफाइट वापरतात.

3. फुलरिन (Fullerene)

फुलरिनहे कार्बनचे अपरूप निसर्गामध्येकमी प्रमाणात सापडते. फुलरिन काजळीमध्ये, ताऱ्यांच्या अधल्यामधल्या जागांतील ढगांमध्ये तसेच भूगर्भाची बांधणी होतानाच्या मधल्या जागेत सापडते. बकमिन्स्टर फुलरिन (C60) हे फुलरिनचे पहिले उदाहरण आहे. रिचर्ड बकमिन्सटर फुलर या वास्तुशास्त्रज्ञाने केलेल्या गोलाकार घुमटाच्या रचनेवरून कार्बनच्या या अपरूपाला फुलरिन हे नाव देण्यात आले.

C₆₀ या फुलरिनच्या कार्बनी अपरूपाच्या शोधासाठी हॅरॉल्ड, क्रोटो, रॉबर्ट कर्ल आणि रिचर्ड स्मॉली यांना 1996 चे रसायनशास्त्राचे नोबेल पारितोषिक देण्यात आल

C₆₀ , C₇₀ , C ₇₆ , C₈₂ व C₈₆ ही फुलरिनची आणखी काही उदाहरणे आहेत. हे रेणू निसर्गात थोड्या प्रमाणात काजळीमध्येआढळतात.

ब. अस्फटिकी अपरूपे (Non- crystalline / Amorphous forms)

या रूपातील कार्बनच्या अणूंची रचना ही नियमित नसते. दगडी कोळसा, कोक ही कार्बनची अस्फटिकी रूपे आहेत.

1. दगडी कोळसा ः दगडी कोळसा हे एक जीवाश्म इंधन असून यामध्ये कार्बन, हायड्रोजन व ऑक्सिजन असतात. यात थोड्या प्रमाणात नायट्रोजन, फॉस्फरस, सल्फर असतात. हा स्थायुरूपात सापडतो. याचे चार प्रकार आहेत.

अ. पीट ः कोळसा तयार होतानाची पहिली पायरी म्हणजे पीट तयार होणे होय. यामध्ये पाण्याचे प्रमाण जास्त व कार्बनचे प्रमाण 60 % पेक्षा कमी असते म्हणून यापासून कमी उष्णता मिळते.

आ. लिग्नाइट ः जमिनीच्या आत वाढता दाब व तापमान यामुळे पीटचे रूपांतर लिग्नाइटमध्ये झाले. यामध्ये कार्बनचे प्रमाण सुमारे 60 ते 70 % असते. कोळसा तयार होण्याची दुसरी पायरी म्हणजे लिग्नाइट होय.

इ. बीट्युमिनस ः कोळशाच्या निर्मितीच्या तिसऱ्या पायरीत बीट्युमिनस तयार झाला. यात कार्बनचे प्रमाण सुमारे 70 ते 90 % असते.

ई .अँथ्रासाईट ः कोळशाचे शुद्ध स्वरूप म्हणून अँथ्रासाईट ओळखला जातो. हा कोळसा कठीण असून त्यात कार्बनचे प्रमाण सुमारे 95 % असते.

2. चारकोल ः प्राण्यांपासून तयार होणारा चारकोल हा प्राण्यांची हाडे, शिंगे इत्यादींपासून तयार करतात तर वनस्पतींपासून तयार होणारा चारकोल हा लाकडाच्या अपुऱ्या हवेत केलेल्या ज्वलनापासून तयार होतो.

कोळशाचे उपयोग
1. कारखान्यात व घरामध्ये कोळसा इंधन म्हणून वापरतात.
2. कोक, कोल गॅस व कोल टार मिळवण्यासाठी कोळशाचा वापर करतात.
3. विद्युत निर्मितीसाठी औष्णिकविद्युत केंद्रात कोळसा वापरतात.
4. जलशुद्धीकरण तसेच सेंद्रिय पदार्थांच्या शुद्धीकरणासाठी चारकोल वापरतात.
3. कोक ः दगडी कोळशातून कोल गॅस काढून घेतल्यावर उरणाऱ्या शुद्ध कोळशाला कोक म्हणतात.

कोकचे उपयोग
1. घरगुती इंधन म्हणून वापरतात.
2. क्षपणकारक म्हणून कोकचा उपयोग करतात.
3.वॉटर गॅस (CO+H₂ ) व प्रोड्युसर गॅस (CO+H₂ +CO ₂ + N₂ ) ह्या वायुरुप

इंधनाच्या निर्मितीत कोकचा उपयोग करतात.

हायड्रोकार्बन्स : मूलभूत सेंद्रिय संयुगे (Hydrocarbons : Basic Organic Compounds)

बहुतेक सेंद्रिय संयुगांत कार्बन सोबत हायड्रोजन हे मूलद्रव्य समाविष्ट असते. ही मूलभूत सेंद्रिय संयुगे ‘मूळसंयुगे’ म्हणून ओळखली जातात. यांना हायड्रोकार्बन्स असेही म्हणतात.

कार्बनचे इलेक्ट्रॉन संरूपण 2, 4 आहे. म्हणून कार्बन अणूच्या दुसऱ्या कक्षेत चार इलेक्ट्रॉन मिळाले तर शेवटच्या कक्षेतील अष्टक पूर्ण झाल्याने त्याचे इलेक्ट्रॉन संरूपण जवळच्या निष्क्रीय वायू (निऑन 2, 8) प्रमाणे स्थिर होते. त्यामुळे कार्बनची संयुजा 4 आहे, मात्र हे होताना इलेक्ट्रॉनची देवघेव न होता भागीदारी होते. म्हणजेच तो दुसऱ्या कार्बनसोबत अथवा दुसऱ्या मूलद्रव्याच्या अणूसोबत चार सहसंयुज बंध (Covalent Bond) तयार करू शकतो.

जेव्हा कार्बन प्रत्येकी एक इलेक्ट्रॉन अशा प्रकारे चार हायड्रोजन अणूंबरोबर चार इलेक्ट्रॉनची भागीदारी करून चार C-H बंध तयार करतो. तेव्हा मिथेन CH 4 चा रेणू तयार होतो.

सहसंयुज संयुगांचे गुणधर्म

1. सहसंयुज संयुगांचा द्रवणांक आणि उत्कलनांक कमी असतो.
2. सामान्यत: पाण्यात अद्रावणीय आणि सेंद्रिय द्रावकात द्रावणीय असतात.
3. उष्णता आणि विद्युत यांचे कमी प्रमाणात वाहक असतात.

संतृप्त आणि असंतृप्त हायड्रोकार्बन (Saturated and Unsaturated Hydrocarbons)

कार्बन अणू एक वैशिष्ट्यपूर्ण गुणधर्म दाखवतो. तो इतर कार्बन अणूंसोबत सहसंयुज बंध करून कार्बन अणूंची शृंखला (साखळी) तयार करू शकतो. ज्या हायड्रोकार्बनच्या सर्व कार्बन अणूमध्ये फक्त एकेरी बंध असतो त्यांना संतृप्त हायड्रोकार्बन असे म्हणतात. उदाहरणार्थ, इथेन (C₂ H₆ ) म्हणजेच (CH ₃ -CH ₃), प्रोपेन (CH ₃  – CH ₂  – CH ₃ ) काही हायड्रोकार्बनमध्ये दोन कार्बन अणूंमध्ये बहुबंध असतो. बहुबंध हा दुहेरी किंवा तिहेरी असतो. ज्या हायड्रोकार्बनमध्येकिमान एक बहुबंध असतो त्यांना असंतृप्त हायड्रोकार्बन म्हणतात. उदाहरणार्थ, इथीन (H₂ C = CH ₂), ईथाईन (CH₃ -CH = CH ₂), प्रोपाइन (CH ₃ (HC CH), प्रोपीन – C CH)

कार्बनची विद्राव्यता (Solubility of Carbon )

कार्बनची ऑक्सिजन बरोबर अभिक्रिया (Reaction of Carbon with Oxygen)

कार्बन डाय ऑक्साइड

रेणुसूत्र : CO2 , रेणुवस्तुमान : 44 , द्रवणांक ः -56.6 0 C, आढळ ः हवेमध्येकार्बन डाय अॉक्साइड मुक्त स्वरूपांमध्येआढळतो. उच्छ्वासावाटे बाहेर पडणाऱ्या हवेत सुमारे 4 % CO 2 असतो. खडू, शहाबादी फरशी यामध्येCO 2 संयुगावस्थेत आढळतो. लाकूड, कोळसा ह्या जीवाश्म इंधनांच्या ज्वलनातूनही CO 2 बाहेर टाकला जातो.

अग्निशामक यंत्र(Fire Extinguisher)

अग्निशामक यंत्रामध्येसोडीअम बायकार्बोनेटची भुकटी असते. एका काचेच्या कुपीमध्ये विरल सल्फ्युरिक आम्ल असते. यंत्राची कळ दाबल्यावर कुपी फुटून कुपीतील सल्फ्युरिक आम्ल सोडिअम बायकार्बोनेटवर पडते; यांच्यात रासायनिक अभिक्रिया होऊन CO 2 मुक्त होतो व बाहेर पडतो.

CO 2 अग्निशामकेही क्षरण न होणारी व वीजप्रवाह प्रतिबंधक असतात. त्यामुळे विद्युत उपकरणे व यंत्रांना लागलेल्या आगीत ही अग्निशामके वापरतात.

CO 2 अग्निशामकेही लहान प्रमाणातील आग विझविण्यासाठी वापरतात. मोठ्या प्रमाणात लागलेली आग जी विझविणे आटोक्याबाहेर आहे, अशावेळी CO 2 अग्निशामके पुरेशी पडत नाहीत. आधुनिक अग्निशामक यंत्रात द्रवरूप व स्थायुरूप CO 2 दाबाखाली भरलेला असतो. दाब कमी केल्यावर वायुरूप होऊन तो जोराने कर्ण्यासारख्या नळीतून बाहेर पडतो.

रासायनिक अभिक्रिया

मिथेन – रेणुसूत्र CH4 , रेणुवस्तुमान-16

आढळ
1. नैसर्गिक वायूमध्येसुमारे 87% मिथेन वायूआढळतो.
2. जैविक पदार्थांच्या हवेच्या अनुपस्थितीत होणाऱ्या विघटनातून हा निर्माण होतो.
3. बायोगॅस मध्येही मिथेन आढळतो.
4. कोळशांच्या खाणींमध्ये मिथेन आढळतो.
5. दलदलीच्या पृष्ठभागावर मिथेन वायूआढळून येतो, म्हणून याला मार्श गॅस असेही म्हणतात.
6. प्रयोगशाळेत हायड्रोजन व कार्बन मोनॉक्साइड यांचे मिश्रण 3000
C ला निकेल या उत्प्रेरकाच्या
उपस्थितीत तापवल्यास मिथेन वायूतयार होतो.
7. शुद्ध स्वरूपातील मिथेन नैसर्गिक वायूच्या भंजक ऊर्ध्वपातनाने मिळवता येतो.

मिथेनचे भौतिक गुणधर्म

1. मिथेनचा द्रवणांक (-182.5 0C )आहे.
2. मिथेनचा उत्कलनांक (-161.5 0C) आहे.
3. हा वायूरंगहीन आहे.
4. द्रवरूप मिथेनची घनता पाण्याच्या घनतेपेक्षा कमी असते.
5. मिथेन पाण्यामध्येअगदी थोड्या प्रमाणात द्रावणीय असतो तर गॅसोलिन, ईथर, अल्कोहोल यांसारख्या सेंद्रिय द्रावकांमध्येतो जास्त द्रावणीय आहे.
6. कक्ष तापमानाला मिथेन हा वायूअवस्थेत असतो.

मिथेनचे रासायनिक गुणधर्म

1. मिथेन हा अतिशय ज्वालाग्रही असून जळताना, ऑक्सिजनबरोबर अभिक्रिया होताना निळसर ज्योत मिळते व या
अभिक्रियेतून 213 kcal/mol एवढी उष्णता बाहेर टाकली जाते. मिथेन हा वायूपूर्णत: जळतो.

बायोगॅस संयंत्र : बायोगॅस संयंत्रामध्ये जनावरांचे शेण, पालापाचोळा, ओला कचरा यांचे विनॉक्सी जीवाणूंमार्फत विघटन होते. त्यापासून मिथेन वायू तयार होतो. यालाच बायोगॅस असे म्हणतात.बायोगॅस हा स्वयंपाकाच्या इंधनाची मागणी भागवणारा अतिशय स्वस्त असा इंधन पर्याय आहे. बायोगॅस संयंत्र हे वीजनिर्मितीसाठी सुद्धा वापरले जाते. बायोगॅसमध्ये सुमारे 55 ते 60% मिथेन व उर्वरित भाग कार्बन डायऑक्साइडचा असतो. बायोगॅस हे वापरासाठी अधिक सोईचे इंधन तर ठरतेच शिवाय गॅस तयार होताना उत्तम खतही तयार होते.

बायोगॅस निर्मिती प्रक्रिया
बायोगॅस निर्मिती प्रक्रिया ही विनॉक्सी (Anaerobic) प्रकारची असते. ती दोन टप्प्यांमध्ये घडून येते.

1. आम्लनिर्मिती (Production of Acids)
कचऱ्यातील जैवविघटनयोग्य जटील सेंद्रिय संयुगांवर जीवाणू अभिक्रिया करतात व सेंद्रिय आम्ल (Organic Acids) तयार करतात.
2. मिथेन वायू निर्मिती (Methane Gas Production)
मिथॅनोजेनिक जीवाणू सेंद्रीय आम्लांवर अभिक्रिया करून मिथेन वायू बनवतात.