కర్బన సమ్మేళనాల రసాయనశాస్త్రం

కర్బన రూపాంతరాలు
* ఒకే మూలకం రెండు లేదా అంతకంటే ఎక్కువ రూపాలను కలిగి ఉండటాన్ని రూపాంతరత అంటారు.
* భౌతిక రూపాల్లో పరమాణువుల అమరికలో వచ్చే తేడాల వల్ల వేర్వేరు రూపాలుగా ఏర్పడతాయి.
* కర్బనం ముఖ్యంగా రెండు రకాలుగా రూపాంతరతను ప్రదర్శిస్తుంది.
    1. స్ఫటిక రూపాలు
        ఉదా: వజ్రం, గ్రాఫైట్, బక్‌మిన్‌స్టర్‌ఫుల్లరిన్
    2. అస్ఫటిక రూపాలు
        ఉదా: కోక్, కోల్, నల్లని మసి
* వజ్రంలోని ప్రతి కర్బనం sp³ సంకరీకరణంలో పాల్గొని చతుర్ముఖీయ నిర్మాణాన్ని కలిగి ఉంటుంది. త్రిమితీయ నిర్మాణంలో ప్రతి కర్బన పరమాణువు ఇతర నాలుగు కర్బన పరమాణువులతో చతుర్ముఖీయంగా బంధాలను కలిగి ఉంటుంది. అందువల్ల అది అతి గట్టితనాన్ని, అధిక ద్రవీభవన ఉష్ణోగ్రతను కలిగి ఉంటుంది.
* కాంతి పరావర్తన ధర్మం వల్ల వజ్రం ప్రకాశవంతంగా మెరుస్తూ ఉంటుంది.
* వజ్రంలో ఒంటరి ఎలక్ట్రాన్‌లు లేకపోవం వల్ల అది విద్యుత్ నిరోధకంగా పని చేస్తుంది. వజ్రాన్ని గాజును కోయడానికి, సానరాయిగా కూడా ఉపయోగిస్తారు.
* వజ్రం యొక్క సాంద్రత 3.51 గ్రా./సెం.మీ3, వక్రీభవన గుణకం 2.41.
 C - C ల మధ్య దూరం 1.54 pm, బంధకోణం 109º.28'. ఇది ఏ ద్రావణంలోనూ కరగదు.

                 
         
* వజ్రం ఆమ్లాలు, క్షారాలతో చర్య జరపదు.
* వజ్రంలో సంయోజనీయ బంధాలు ఉన్నప్పటికీ అధిక ద్రవీభవన ఉష్ణోగ్రత, గట్టితనాన్ని కలిగి ఉండటానికి కారణం
C - C ల మధ్య దృఢమైన త్రిమితీయ బంధాలు ఉండటమే.
 

గ్రాఫైట్: దీనిలో ప్రతి కర్బనం sp² సంకరీకరణంలో పాల్గొని పొరల నిర్మాణంతో ఉంటుంది. ఇది ద్విమితీయ నిర్మాణాన్ని కలిగి ఉంటుంది.
* గ్రాఫైట్‌కు లోహదృతి, సబ్బు లాంటి స్పర్శ ఉండటం వల్ల అది కందెనగా ఉపయోగపడుతుంది. ఘనస్థితిలో కందెనగా పనిచేసేది గ్రాఫైట్ మాత్రమే. దీన్ని పెన్సిల్ లెడ్‌గా ఉపయోగిస్తారు.
* గ్రాఫైట్‌లో కర్బన పరమాణువులు షట్కోణాకృతిలో వలయాల నిర్మాణాన్ని కలిగి, పొరల మధ్య బలహీనమైన వాండర్‌వాల్స్ బలాలతో కలిపి ఉంటాయి. దీనివల్ల గ్రాఫైట్‌కు జారుడు స్వభావం ఏర్పడి అది కందెనగా పని చేస్తుంది.
* C − C ల మధ్య దూరం 1.42 A°, పొరల మధ్య దూరం 3.35 A°, బంధకోణం 120°.
* ప్రతి కర్బన పరమాణువులోని ఒంటరి ఎలక్ట్రాన్ ఆసన్న కర్బనాల మధ్య π బంధాన్ని ఏర్పరుస్తుంది. ఈ π - ఎలక్ట్రాన్‌లు పొర మొత్తం అస్థానీకృతం చెంది, కదులుతూ ఉండటం వల్ల మంచి విద్యుత్ వాహకంగా పని చేస్తుంది.
* బక్‌మిన్‌స్టర్‌ఫుల్లరిన్ (C₆₀) కూడా స్ఫటిక రూపాంతరాల్లో ఒకటి. ఇది బంతి ఆకృతిలో ఉంటుంది. దీనిలో 20 షట్‌భుజి వలయాలు, 12 పెంటాగోనల్ వలయాలు ఉంటాయి.
* C₆₀ ఫుల్లరిన్‌లో కర్బన పరమాణువులు sp² సంకరీకరణంలో పాల్గొంటాయి. ప్రతి కర్బనంలో మిగిలిన ఒంటరి ఎలక్ట్రాన్‌లు అణువు అంతా అస్థానీకృతం చెంది, అణువుకు ఎరోమాటిక్ ధర్మాన్ని కలగజేస్తాయి. ఇది 1985 నుంచి ప్రాముఖ్యాన్ని పొందింది.
* C − C ల మధ్య దూరం 143.5 A°, 1.38 A°. దీనిలో హెక్సాగోనాల్ వలయాలు, పెంటాగోనాల్ వలయాలతో సంలీనం చెంది ఉంటాయి. హెక్సాగోనాల్ వలయాలు, హెక్సాగోనాల్ వలయాలతో కూడా సంలీనం చెందుతాయి.
* జడవాయు వాతావరణంలో బాష్ప కార్బన్ ఘనీభవించడం వల్ల ఫుల్లరిన్‌లు ఏర్పడతాయి.
* వైద్య రంగంలో ఫుల్లరిన్‌లను అధిక నిరోధక శక్తి గల బ్యాక్టీరియాను, మెలనోమా లాంటి క్యాన్సర్ కణాలను అంతమొందించే ఔషధంగా వాడతారు.
* C₆₀ని కనుక్కొని, దాని నిర్మాణం పై పరిశోధన చేసినందుకు 1996లో H.W. క్రోటో, R.E. స్మాలీ శాస్త్రవేత్తలకు నోబెల్ బహుమతి లభించింది.
* గోళాకారంలో ఉన్న ఫుల్లరిన్‌లను బక్కీబాల్స్ అంటారు.

నానోనాళాలు: కర్బనం యొక్క మరో రూపాంతరమే నానోనాళాలు. వీటిని 1991లో సుమియో లీజిమ కనుక్కున్నారు.
* షట్ముఖ వలయాల ద్వారా ఏర్పడిన పొరలు స్తూపాకృతిలో గొట్టాలుగా మారి నానోనాళాలను ఏర్పరుస్తాయి. దీనిలో కూడా గ్రాఫైట్ మాదిరిగా π ఎలక్ట్రాన్‌లు అణువుల అస్థానీకృతం చెంది, మంచి విద్యుత్ వాహకతను కలగజేస్తాయి.
* అతి చిన్నదైన కణంలోనికి ఏవైనా జీవాణువులను ప్రవేశపెట్టడానికి నానోట్యూబ్‌లను ఉపయోగిస్తారు.
 

గ్రాఫిన్: పెన్సిల్‌లో ఉపయోగించే గ్రాఫైట్ నుంచి గ్రాఫిన్‌ను తయారుచేస్తారు. గ్రాఫిన్‌లో 0.3 nm మందం గల తేనెతుట్టెను పోలిన షట్ముఖీయ వలయ నిర్మాణం ఉంటుంది.
* గ్రాఫిన్ రాగి కంటే మంచి విద్యుత్ వాహకం. స్టీల్ కంటే 200 రెట్లు బలమైంది కానీ 6 రెట్లు తేలికైంది. ఇది కాంతికి సంపూర్ణంగా పారదర్శకమైంది.
 

కార్బన్ స్వభావం
* J.J. బెర్జీలియస్ సజీవుల్లో తయారయ్యే సమ్మేళలనాలను సేంద్రియ సమ్మేళనాలని, నిర్జీవ పదార్థాల నుంచి తయారయ్యే వాటిని అకర్బన సమ్మేళనాలని గుర్తించారు.
* 1828లో F. వోలర్ అనే శాస్త్రవేత్త ప్రయోగశాలలో అకార్బనిక లవణమైన అమ్మోనియం సయనేట్‌ను వేడిచేస్తూ, యూరియాను (కర్బన సమ్మేళనం) తయారు చేసి వైటల్ ఫోర్స్ థియరీ (Vital force theory) తప్పని నిరూపించాడు.
NH₄CNO     H₂N − CO − NH₂
అమ్మోనియం సయనేట్             యూరియా

* జీవ సమ్మేళనాలన్నీ కర్బన సమ్మేళనాలే. కార్బన్‌కు ఉన్న కాటనేషన్ సామర్థ్యం, శాఖీయ శృంఖలాలను ఏర్పరిచే శక్తి వల్ల అది అనేక మిలియన్‌ల సంఖ్యల్లో సమ్మేళనాలను ఏర్పర్చగలదు.
 

కార్బన్ యొక్క ఆక్సైడ్‌లు
* కార్బన్ రెండు రకాల ఆక్సైడ్‌లను ఏర్పరుస్తుంది.
1) కార్బన్ మోనాక్సైడ్ (CO)
2) కార్బన్ డై ఆక్సైడ్ (CO₂)
* కార్బన్‌ను పరిమిత ఆక్సిజన్‌లో మండించినట్లయితే కార్బన్ మోనాక్సైడ్ ఏర్పడుతుంది.
      2 C + O₂ 2 CO
* వేడిగా ఉన్న కోక్ మీదకు నీటిఆవిరిని పంపితే కార్బన్ మోనాక్సైడ్ తయారవుతుంది.
     C   +   H₂O     CO   +   H₂
     (ఘ.)   (వా.)                            (వా.)       (వా.)
*  కార్బన్ మోనాక్సైడ్ రంగు, వాసన లేని వాయువు. నీటిలో కరగదు. ఇది బలమైన క్షయకరిణి.
*  :C  O: నిర్మాణంలో C, O కి మధ్య ఒక σ బంధం, రెండు π బంధాలు ఉంటాయి.
*  CO అణువులోని కార్బన్‌పై ఉండే జంట ఎలక్ట్రాన్‌లను వినియోగించుకొని కార్బోనైల్ సంక్లిష్ట సమ్మేళనాలను ఏర్పరుస్తుంది.
*  CO అధిక విష స్వభావం గల వాయువు.
*  కార్బన్‌ను అధిక ఆక్సిజన్‌లో మండించగా కార్బన్ డై ఆక్సైడ్ ఏర్పడుతుంది.
    C   +   O₂    CO₂
   (ఘ.)    (వా.)                     (వా.)
* CO₂ రంగు, వాసన లేని వాయువు. ఇది నీటిలో పాక్షికంగా కరుగుతుంది. విషవాయువు కాదు.
* నీటిలో CO₂ కరిగి కార్బోనిక్ ఆమ్లం (H₂CO₃) ఏర్పడుతుంది. ఇది బలహీన ఆమ్ల ధర్మం కలిగి ఉంటుంది.
* కిరణజన్య సంయోగ క్రియలో పాల్గొని గ్లూకోజ్‌ను ఏర్పరుస్తుంది.
    
* వాతావరణంలో CO₂ పరిమాణం బాగా పెరగడం వల్ల హరిత గృహ ప్రభావం పెరుగుతుంది.
* ఘనస్థితిలో ఉండే CO₂ ను పొడి మంచు అంటారు.
* CO₂ ను శీతల పానీయాల్లో వాడతారు.
* CO₂ లోని కార్బన్ sp సంకరీకరణంలో పాల్గొంటుంది.

      
*  ఇది ద్విధృవ భ్రామకం లేని సరళ రేఖీయ నిర్మాణాన్ని కలిగి ఉంటుంది.
* CO₂ గాలి కంటే బరువైంది. దహనశీలి కాదు, దహన దోహదకారి కూడా కాదు.
* నీలి లిట్మస్‌ను CO₂ ఎరుపు రంగులోకి మారుస్తుంది.
* CO₂ ను సున్నపు తేటలోనికి పంపినప్పుడు పాల లాంటి తెల్లని అవక్షేపాన్ని ఏర్పరుస్తుంది.
    Ca(OH)₂ + CO₂ CaCO₃ ↓ +  H₂O

వాటర్ గ్యాస్, ప్రొడ్యూసర్ గ్యాస్
* కార్బన్ మోనాక్సైడ్, హైడ్రోజన్ వాయువుల మిశ్రమాన్ని వాటర్ గ్యాస్ అంటారు. దీన్ని ఇంధన వాయువుగా ఉపయోగిస్తారు.
* వేడిగా ఉన్న కోక్‌పైకి నీటిఆవిరిని పంపితే వాటర్ గ్యాస్ తయారవుతుంది.
    C   +     H₂O      CO  +   H₂
   (ఘ.)     (వా.)                                వాటర్ గ్యాస్
* కార్బన్ మోనాక్సైడ్, నైట్రోజన్ వాయు మిశ్రమాన్ని ప్రొడ్యూసర్ గ్యాస్ అంటారు.
* వేడిగా ఉన్న కోక్‌పైకి నీటిఆవిరికి బదులుగా గాలిని (N₂) పంపితే ప్రొడ్యూసర్ గ్యాస్ ఏర్పడుతుంది. దీన్ని కూడా ఇంధనంగా ఉపయోగిస్తారు.
 2 C  +  4 N₂ + O₂    2 CO   +   4 N₂
    (ఘ.)    (వా.)   (వా.)                        ప్రొడ్యూసర్ గ్యాస్
* ప్రొడ్యూసర్ గ్యాస్‌లో ముఖ్యంగా 33% CO, 64% N₂; 3% CO₂, H₂ ఉంటాయి.
* వాటర్ గ్యాస్‌లో CO (40% − 50%), H₂ (45% − 50%) ఉంటాయి.
* ప్రొడ్యూసర్ గ్యాస్, వాటర్ గ్యాస్‌ల కెలోరిఫిక్ విలువలు వరుసగా 5439 kJ/m³, 13000 kJ/m³గా ఉంటాయి.
* ప్రొడ్యూసర్ గ్యాస్‌ను గ్యాస్ ఇంజిన్‌లో; స్టీల్, గ్లాస్ పరిశ్రమల్లో ఇంధనంగా ఉపయోగిస్తారు. అమ్మోనియాను తయారు చేయడానికి కూడా వాడతారు.
 

హైడ్రో కార్బన్‌లు
* కార్బన్, హైడ్రోజన్‌లు ఉన్న సమ్మేళనాలను హైడ్రో కార్బన్‌లు అంటారు.

* ఎలిఫాటిక్ ధర్మాలున్న కర్బన చక్రీయ సమ్మేళనాలను ఎలిసైక్లిక్ సమ్మేళనాలు అంటారు.

* వలయంలో కర్బనాలతో కలిపి ఇతర మూలకాలు ఉంటే వాటిని హెటిరో సైక్లిక్ సమ్మేళనాలు అంటారు.

* సమతల వలయ నిర్మాణాలున్న కర్బన సమ్మేళనాలు ఎరోమాటిక్ ధర్మాన్ని ప్రదర్శిస్తే వాటిని ఎరోమాటిక్ సమ్మేళనాలు అంటారు.
ఉదా: బెంజీన్

బెంజినాయిడ్ సమ్మేళనాలు

* నాన్ బెంజినాయిడ్ సమ్మేళనాలు ఎరోమాటిక్ ధర్మాన్ని ప్రదర్శించవు.

 సైక్లో పెంటాడైయినైల్ ఆనయాన్
 

* ట్రోపలోన్    

* ఏదైనా పరమాణువు లేదా పరమాణువుల సముదాయం విశిష్ట పద్ధతిలో బంధితమై, ఆ కర్బన సమ్మేళనాలకు ప్రత్యేక రసాయనిక ధర్మాలను కలగజేయడానికి కారణమైనట్లయితే దాన్ని 'ప్రమేయ సమూహం'
 అంటారు.
ఉదా: −OH (ఆల్కహాల్)    -CHO (ఆల్డిహైడ్)        -COOH (కార్బాక్సిలిక్ ఆమ్లం)

సమజాత శ్రేణి: ఒకే ప్రమేయ సమూహం ఉన్న కర్బన సమ్మేళనాలను సమజాత శ్రేణి అంటారు.
* ఒకే సాధారణ ఫార్ములా కలిగి వరుసక్రమంలోని ఏ రెండు సమ్మేళనాల అణుఫార్ములాలో భేదం  - CH2 - గా ఉండి, రసాయనిక ధర్మాల్లో సారూప్యతను, భౌతిక ధర్మాల్లో క్రమత్వాన్ని ప్రదర్శించే సమ్మేళనాల పరంపరను సమజాత శ్రేణి అంటారు.
ఉదా: ఆల్కేన్‌లు - C_nH_{2n + 2}
         ఆల్కీన్‌లు -C_nH_2n
         ఆల్కహాల్ -CnH_{2n + 2} O
 IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) కర్బన సమ్మేళనాలకు ప్రపంచమంతా ఒకే పేరు ఉండాలని నిర్ణయించి, కొన్ని నియమాలను రూపొందించింది.
 ఈ నియమాల ద్వారా IUPAC నామకరణ విధానాన్ని ప్రవేశపెట్టారు. ఆ తర్వాత కొన్ని మార్పులతో CAS (Chemical Abstract System)ను ప్రవేశ పెట్టారు.
 

ఆల్కేన్స్: సంతృప్త కర్బన సమ్మేళనాలను ఆల్కేన్‌లు అంటారు. వాటి సాధారణ ఫార్ములా C_n H_{2n + 2}.

* ఆల్కేన్‌లో ఒక హైడ్రోజన్ తక్కువగా ఉన్నట్లయితే దాన్ని ఆల్కైల్ సమూహం అంటారు. దీన్ని -R అక్షరంతో సూచిస్తారు.
ఉదా: - CH₃   మిథైల్
         - C₂H₅ ఈథైల్
         - C₃H₇ ప్రొపైల్
 Alkaneలో -ane అనే పదాన్ని తొలగించి -yl రాస్తే Alkyl వస్తుంది.
ఉదా: Butane - C₄H₁₀                Butyl - C₄H₉

 

* రెండు సమాన పరిమాణంలో ఉన్న శాఖలు ఉంటే ఎక్కువ ఉప శాఖలున్న శాఖను మాతృ సమూహంగా ఎన్నుకోవాలి.
* శృంఖలాన్ని గుర్తించిన తర్వాత సంఖ్యా సూచికను ప్రతిక్షేపకానికి దగ్గరగా ఉన్న కార్బన్ నుంచి మొదలు పెట్టాలి.
* ఆల్కీన్ పేరులో ఈన్‌ను, ఆల్కైన్ పేరులో ఐన్‌ను పదానుబంధంగా ఉపయోగించాలి.
* ప్రతిక్షేపకాని కంటే ప్రమేయ సమూహానికి తక్కువ సంఖ్య వచ్చేలా సంఖ్యా క్రమాన్ని రాయాలి.
* ప్రమేయ సమూహాల ప్రాధాన్యాత క్రమాన్ని బట్టి ఎక్కువ ప్రాధాన్యం ఉన్న దానికి తక్కువ సంఖ్య వచ్చేలా రాయాలి.
 

ప్రమేయ సమూహాల ప్రాముఖ్యం తగ్గే క్రమం
  

* శృంఖలంలో (),  (=)లు ఒకే స్థానాల్లో ఉంటే ఆంగ్ల అక్షర క్రమాన్నిబట్టి (=)కు తక్కువ సంఖ్య వచ్చేలా చూడాలి._
 1          2        3         4      5     6       7     సరైంది. హెప్ట్ - 2 - ఇన్ - 5 - ఐన్

  7           6      5         4       3     2     1  తప్పు.
* శృంఖలంలో ఈన్ (=), ఐన్ () లు వేర్వేరు స్థానాల్లో ఉన్నట్లయితే, ఐన్ ()కు ప్రాధాన్యం ఎక్కువ కాబట్టి దానికి తక్కువ సంఖ్య వచ్చేలా చూడాలి.
1           2       3    4        5         6         7    →      8   సరైంది.
  ఆక్ట్ - 5 - ఈన్ - 2 - ఐన్
8         7     6    5          4        3       2          1  ← తప్పు.　

5 - (2 - ఈథైల్ బ్యుటైల్) - 3, 3 - డై మిథైల్ డెకేన్ (సరైన పేరు)
5 - (2, 2 - డై మిథైల్ బ్యుటైల్) - 8 - ఈథైల్ డెకేన్ (తప్పు)
కారణం మొదటి దానిలో శాఖీయ ప్రతిక్షేపకాలు ఎక్కువగా ఉన్నాయి.

       5 - సెకండరీ బ్యుటైల్ - 4 - ఐసో ప్రొపైల్ డెకేన్ (సరైంది)
       4 - ఐసో ప్రొపైల్ - 5 - సెకండరీ బ్యుటైల్ డెకేన్ (తప్పు)
       కారణం ప్రతిక్షేపకాల పేరులోని ఆంగ్ల అక్షర క్రమాన్ని పాటించాలి.
* సంతృప్త వలయ సమ్మేళనాల్లో ఆల్కేన్ పేరుకు ముందు సైక్లో పదాన్ని చేర్చాలి.

      2, 5, 6  - ట్రై మిథైల్ ఆక్టేన్ (ఒప్పు)
       3, 4, 7 - ట్రై మిథైల్ ఆక్టేన్ (తప్పు)
* C₆H₅−, హలోజన్‌లు (F, Cl, Br, I), −NO₂ గ్రూపులను పూర్వ పదాలుగా గుర్తించాలి.
* రెండు కంటే ఎక్కువ హలోజన్‌లు ఉన్నప్పుడు వాటి ఆంగ్ల అక్షర క్రమాన్ని బట్టి సంఖ్యలను సూచించాలి.
     

        ఒకే రకానికి చెందిన రెండు లేదా అంతకంటే ఎక్కువ ప్రమేయ సమూహాలు ఉన్నప్పుడు -ane లోని (e) అక్షరాన్ని తొలగించకూడదు.

* CH₂ = CH − CH = CH₂                     but - 1, 3 - diene
    Br - CH₂ - CH = CH₂                       3 - bromoprop - 1 - ene
    CH₃ - CO - CH₂ - COOH                3 - oxo butanoic acid
    CH₃ - CO - CH₂ - CO - CH₃          pentane - 2, 4 - dione
    
    but - 3 - en - 2 - ol