కార్బన్‌ రూపాంతరత

అత్యంత కఠినమైన మూలకాల రాజు!

 

కుంపట్లలో వాడే బొగ్గులో, పిల్లలు రాసే పెన్సిల్‌లో, చక్రాలకు పూసే కందెనలో, మిలమిలమెరిసే వజ్రంలో ఉండేది ఒకటే మూలకం అంటే ఆశ్చర్యం అనిపించవచ్చు. కానీ వాస్తవమే. అదే సృష్టిలో విస్తారంగా లభ్యమయ్యే కార్బన్‌. అవన్నీ దాని రూపాంతరాలే. అందుకే కర్బనం విశిష్ట మూలకంగా, మూలకాల రాజుగా నిలిచింది. భౌతికంగా ఒక రూపంలో మెత్తగా సులువైన విద్యుత్తు వాహకంగా ఉంటే, మరో రూపంలో అత్యంత కఠినంగా విద్యుత్తు నిరోధకంగా పనిచేస్తుంది. కర్బనం ఏర్పరిచే అలాంటి స్ఫటిక రూపాల ప్రత్యేకతలు, రసాయన ధర్మాలు, వాటి విస్తృత ఉపయోగాల గురించి పోటీ పరీక్షార్థులు తెలుసుకోవాలి. 

 

 కార్బన్‌ ఒక అలోహం. కార్బన్‌ మూలకం ఆవర్తన పట్టికలో 14వ గ్రూపునకు చెందింది. ఇది 'p' బ్లాక్‌లో ఉంటుంది. పరమాణు సంఖ్య 6, దాని ద్రవ్యరాశి సంఖ్య 12.

* కార్బన్‌ ఎలక్ట్రాన్‌ విన్యాసం = 1s² 2s² 2p² (భూస్థాయి), 

                                            1s² 2s¹ 2p³ (ఉత్తేజిత స్థాయి)

* కార్బన్‌ ఎలక్ట్రాన్‌లను కోల్పోదు, గ్రహించదు. తన స్థిరత్వం కోసం ఎలక్ట్రాన్‌లను పంచుకుంటుంది. 

* కార్బన్‌ ఐసోటోపులు ₆C¹², ₆C¹³, ₆C¹⁴

* కార్బన్‌ సంయోజకత - 4 

* కార్బన్‌ మూలకం సంయోజనీయ బంధాలను ఏర్పరుస్తుంది.

* కార్బన్‌కు అధిక సంఖ్యలో బంధాలను ఏర్పరచగలిగే సామర్థ్యం ఉండటం వల్ల ప్రకృతిలో ఒక వైవిధ్య మూలకంగా, అధిక సమ్మేళనాలు కలిగిన మూలకంగా ప్రత్యేకతను సంతరించుకుంది. దీనికి ‘మూలకాలకు రాజు’ (king of elements) అనే పేరు ఉంది.

* దీని సంకరీకరణం - sp, sp², sp³

* కార్బన్‌ అత్యధిక కాటనేషన్‌ స్వభావం కలిగిన మూలకం

* కాటనేషన్‌ అంటే ఏదైనా మూలకం దానికి చెందిన పరమాణువుల మధ్య బంధాలను ఏర్పరచుకోవడం ద్వారా అతిపెద్ద అణువులను ఏర్పరచగలిగే ధర్మం..

రూపాంతరత: ఏదైనా ఒక మూలకం రెండు కంటే ఎక్కువ భౌతిక రూపాల్లో లభిస్తూ రసాయన ధర్మాల్లో దాదాపు సారూప్యతను కలిగి ఉండి, భౌతిక ధర్మాల్లో విభేదించడాన్నే రూపాంతరత అంటారు. ఒక మూలకానికి చెందిన విభిన్న రూపాలను కూడా రూపాంతరత అనవచ్చు. అవి వాటి పరమాణువుల అమరికలో తేడా వల్ల ఏర్పడతాయి. ప్రధానంగా కార్బన్‌ రూపాంతరతను రెండు రకాలుగా వర్గీకరించారు. అవి: అస్ఫటిక రూపాంతరత (amorphous forms), స్ఫటిక రూపాంతరత (crystalline forms).

1) అస్ఫటిక రూపాలు: బొగ్గు కోక్, వృక్ష చార్‌కోల్, జంతు చార్‌కోల్, నల్లమసి, వాయురూప కార్బన్, పెట్రోలియం కోక్, చక్కెర చార్‌కోల్‌. బొగ్గును నల్ల బంగారం లేదా సౌరశక్తి గిడ్డంగి అంటారు.

2) స్ఫటిక రూపాలు: డైమండ్, గ్రాఫైట్, బక్‌మిన్‌స్టర్‌ ఫుల్లరిన్, నానో ట్యూబ్స్, గ్రాఫిన్‌

 

వజ్రం

ఇది వజ్రం ప్రకృతిసిద్ధంగా లభించే పదార్థాల్లో అత్యంత కఠినమైంది. ఒకే మూలకంతో ఏర్పడే దీనిలో కార్బన్‌  sp³ సంకరీకరణం చెంది ఉంటుంది. కార్బన్‌ 4 ఇతర కార్బన్‌ పరమాణువులతో సంయోజనీయ బంధాలను ఏర్పరిచి త్రిమితీయంగా ఉంటుంది. ఇది శుద్ధ కార్బన్‌కు సంబంధించిన మెటాస్టేబుల్‌ అలోట్రోప్‌. పరిశుద్ధ వజ్రం రంగు లేకుండా లభిస్తుంది. కానీ మలినాలు దానికి రంగును కలిగిస్తాయి.

* అధిక వక్రీభవన గుణకాన్ని (2.42) కలిగి ఉండటంతో వజ్రం బాగా మెరుస్తుంది. ఆ విధంగా మెరవడానికి కారణమైన కాంతి ధర్మం సంపూర్ణాంతర పరావర్తనం. దీనిలో C-C బంధ దూరం 1.54 A^o. 

* వజ్రంలో బంధకోణం 109^o28' ఉండి చతుర్ముఖీయ ఆకృతిలో ఉంటుంది.

* వజ్రం సాంద్రత 3.-51 gm/cc.

* వజ్రాన్ని శూన్యంలో 1500^oC వరకు వేడిచేస్తే గ్రాఫైట్‌గా మారుతుంది.

* గాలిలో 900 - 1000^oC వరకు వేడి చేస్తే CO₂ ను ఏర్పరుస్తుంది.

* వజ్రంలో C-C బంధాలు చాలా బలమైనవి కాబట్టి పదార్థాలన్నింట్లో ఇది గట్టి పదార్థంగా ఉంది. 

ఉపయోగాలు:  

* దీనిలో స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్‌లు లేకపోవడంతో ఉష్ణబంధకంగా, విద్యుత్తు బంధకంగా పనిచేస్తుంది.

* వజ్రాన్ని క్యాటరాక్ట్‌ ఆపరేషన్‌లో ఉపయోగిస్తారు.

* దృఢమైంది కావడంతో గాజును కోయడానికి, పనిముట్లను పదునుగా చేయడానికి అపఘర్షకంగా ఉపయోగిస్తారు.

* డ్రిల్లింగ్‌ యంత్రాల్లో రాయికి రంధ్రం చేయడానికి కూడా ఉపయోగిస్తారు.

 

గ్రాఫైట్‌

* గ్రాఫైట్‌ 2డి నిర్మాణం (ద్విమితీయ) ఉన్న పొరలతో ఉంటుంది.

* గ్రాఫైట్‌ పొరల మధ్య ఉండే C-C బంధాలు సాపేక్షంగా బలహీనంగా ఉంటాయి.

* గ్రాఫైట్‌ పొరల నిర్మాణంలో కర్బన పరమాణువుల మధ్య త్రికోణీయ సమతల ఆవరణం ఉంటుంది.

* దీనిలో కార్బన్‌ sp² సంకరీకరణం చెంది ఉంటుంది.

* కార్బన్‌ రూపాంతరాల్లో అధిక స్థిరమైన రూపాంతరం.

* ఇది నల్లని బూడిద రంగులో మెరిసే పదార్థం.

* గాలిలో దీన్ని మండిస్తే CO² వాయువు ఏర్పడుతుంది.

* దీన్ని క్రిస్టలైన్‌ కార్బన్‌ నుంచి వెలికితీస్తారు.

* గ్రాఫైట్‌ సాంద్రత - 2.-25 gm/cc.

* దీని C-C బంధ దూరం 1.42 A^o.

* బంధకోణం - 120^o.

* గ్రాఫైట్‌ను నీటిలో కలిపినప్పుడు ఏర్పడిన ద్రావణాన్ని ఆక్వాడాక్‌ అంటారు.

 

ఉపయోగాలు: 

* పొరల నిర్మాణం కలిగి ఉండటం వల్ల దీన్ని కందెనగా ఉపయోగిస్తారు.

* స్వేచ్ఛగా చలించే ఎలక్ట్రాన్‌ల వల్ల ఇది విద్యుద్వాహకంగా పనిచేస్తుంది.

* దీన్ని లెడ్‌ పెన్సిల్‌లో ఉపయోగిస్తారు.

* దీన్ని ఎలక్ట్రోడ్‌లు, ఎలక్ట్రో ప్లేటింగ్, ఎలక్ట్రో టైపింగ్‌ల్లో, కొలిమిల్లో స్టౌలకు పూత పూయడానికి ఉపయోగిస్తారు.

 

బక్‌మిన్‌స్టర్‌ ఫుల్లరిన్‌ (C₆₀):

* దీనిలో అణువులు వివిధ పరిమాణాల్లో ఉండి కేవలం కార్బన్‌ పరమాణువుల సంఘటనంతో ఏర్పడతాయి.

* కార్బన్‌ పరమాణువుల అమరికలో ఉండే వ్యత్యాసాల ఆధారంగా, బోలుగా ఉండే గోళం, దీర్ఘవృత్త ఘనం లేదా నాళం లాంటి లక్షణాన్ని కలిగి ఉంటాయి.

* జడవాయు వాతావరణంలో, బాష్ప కార్బన్‌ ఘనీభవించడం వల్ల ఫుల్లరిన్‌లు ఏర్పడతాయి.

* 1985లో రైస్, ససెక్స్‌ యూనివర్సిటీలకు చెందిన రాబర్ట్‌ ఎఫ్‌.కర్ల్, హరాల్డ్‌ డబ్ల్యూ క్రోటో, రిచర్డ్, ఇ.స్మాలి అనే శాస్త్రవేత్తల బృందం దీన్ని కనుక్కున్నారు. ఈ పరిశోధనకు వారికి 1986లో నోబెల్‌ బహుమతి వచ్చింది.

* C₆₀ ణువు సాకర్‌ బంతిని పోలిన నిర్మాణం ఉండటం వల్ల దీన్ని బక్‌మిన్‌స్టర్‌ ఫుల్లరిన్‌ లేదా బక్కీబాల్స్‌ అంటారు. దీనిలో 60 కార్బన్‌ పరమాణువులు ఉంటాయి.

* దీనిలో ఆరు కార్బన్‌లు ఉన్న వలయాలు 20, అయిదు కార్బన్‌లు ఉన్న వలయాలు 12 ఉంటాయి.

* sp² సంకరీకరణం ఉంటుంది.

* C-C బంధ దూరం 1.4 A^o.

ఉపయోగాలు: అత్యధిక నిరోధకత ఉన్న బ్యాక్టీరియాను నశింపజేసే విశిష్ట రోగనిరోధక ఔషధంగా, మెలెనోమా లాంటి క్యాన్సర్‌ కణాలను అంతమొందించే ఔషధాల తయారీలోనూ ఉపయోగిస్తారు.

 

నానోట్యూబ్స్‌

* కార్బన్‌ మరో రూపాంతరం నానోట్యూబ్స్‌ లేదా నానోగోళాలు.

* వీటిని 1991లో సుమియోలీజిమా కనుక్కున్నాడు.

* సంయోజనీయ బంధంలో పాల్గొనే కార్బన్‌ పరమాణువుల షణ్ముక అమరిక వల్ల నానోట్యూబ్స్‌ ఏర్పడతాయి.

* ఇవి గ్రాఫైట్‌ పొరలను పోలి ఉంటాయి. కానీ ఈ పొరలు చుట్టుకుని స్తూపాకార గొట్టాలుగా మారతాయి. అందుకే వాటిని నానోట్యూబ్స్‌ అంటారు.

ఉపయోగాలు: 

* వీటిని విద్యుత్తు వాహకాలుగా, అణుతీగలుగా ఉపయోగిస్తారు.

* సమీకృత వలయంలో రాగికి బదులుగా నానోట్యూబ్‌లను అనుసంధాన తీగలుగా వినియోగిస్తారు.

* అతిచిన్నదైన కణంలోకి ఏదైనా జీవాణువులను ప్రవేశపెట్టాల్సి వస్తే, వాటిని సన్నని, అతి పలుచని నానోట్యూబ్‌లోకి పంపించి దాని ద్వారా కణంలోకి ప్రవేశపెడతారు.

 

గ్రాఫిన్‌: దీన్ని కార్బన్‌ రూపాంతరతలో అద్భుతమైందిగా చెప్పవచ్చు. పెన్సిల్‌ తయారీలో ఉపయోగించే గ్రాఫైట్‌ నుంచి దీన్ని తయారుచేస్తారు. ఇది రాగి కంటే మంచి విద్యుత్తు వాహకం. గ్రాఫిన్‌ మందం 0.3 nm కలిగి తేనెతుట్టెను పోలిన షణ్ముఖీయ నిర్మాణంలో ఉంటుంది. ఇది స్టీలు కంటే 200 రెట్లు బలమైంది. స్టీలుతో పోలిస్తే 6 రెట్లు తేలికగా ఉంటుంది. కాంతికి దాదాపు సంపూర్ణ పారదర్శకంగా ఉంటుంది.

* 1 మి.మీ. మందం ఉన్న గ్రాఫైట్‌లో దాదాపు 3 మిలియన్‌ పొరల గ్రాఫిన్‌ ఉంటుంది.

 

ప్రాక్టీస్‌ బిట్స్‌

1. కిందివాటిలో మూలకాల రారాజు అని దేన్ని అంటారు?

1) ఆక్సిజన్‌    2) కార్బన్‌    3) సోడియం    4) ఇనుము

2. పెన్సిల్‌ లెడ్‌లో ఉపయోగించే కార్బన్‌ రూపాంతరం?

1) గ్రాఫైట్‌     2) బొగ్గు    3) దీపాంగరం     4) వజ్రం

3. వజ్రం మెరవడానికి కారణమైన కాంతి ధర్మం ఏది?

1) స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్‌లు ఉండటం

2) అల్ప వక్రీభవన గుణకాన్ని కలిగి ఉండటం

3) అధిక వక్రీభవన గుణకం కలిగి ఉండటం

4) పొరల నిర్మాణం ఉండటం

4. బక్‌మిన్‌స్టర్‌ ఫుల్లరిన్‌లో (C*60) ఉండే కార్బన్‌ వలయాలు ఎన్ని?

1) 20 షట్కోణాకృతి, 12 పంచకోణాకృతి

2) 20 షట్కోణాకృతి, 40 పంచకోణాకృతి

3) 12 షట్కోణాకృతి, 12 పంచకోణాకృతి

4) 12 షట్కోణాకృతి, 20 పంచకోణాకృతి

5. ఒకే అణుపార్ములా ఉన్న కర్బన సమ్మేళనాలు వేర్వేరు ధర్మాలను ప్రదర్శించడాన్ని ఏమంటారు?

1) సాదృశ్యం    2) జలవిశ్లేషణ    3) రూపాంతరత     4) శృంఖల సామర్థ్యం

6. కిందివాటిని జతపరచండి.

 కార్బన్‌ రూపాంతరం         నిర్మాణం

ఎ) వజ్రం                            1) చతుర్ముఖీయ నిర్మాణం

బి) గ్రాఫైట్‌                         2) సాకర్‌ బంతి లాంటి ఆకారం

సి) బక్‌మిన్‌స్టర్‌ ఫుల్లరిన్‌      3) పొరల నిర్మాణం

1) ఎ-1, బి-3, సి-2      2) ఎ-3, బి-2, సి-1

3) ఎ-1, బి-2, సి-3      4) ఎ-2, బి-3, సి-1

7. కిందివాటిలో దేన్ని కందెనగా ఉపయోగిస్తారు?

1) వజ్రం    2) బక్‌మిన్‌స్టర్‌ ఫుల్లరిన్‌    3) గ్రాఫైట్‌     4) టంగ్‌స్టన్‌

8. గ్రాఫిన్‌ ఏ మూలకం రూపాంతరం

1) నైట్రోజన్‌    2) సల్ఫర్‌     3) హైడ్రోజన్‌     4) కార్బన్‌

9. నానోట్యూబ్స్‌ను కనుక్కున్న శాస్త్రవేత్త ఎవరు?

1) హెచ్‌.డబ్ల్యూ.క్రోటో     2) కార్ల్‌

3) ఇ.స్మాలి    4) సుమియోలీజిమా

10. కంటి కాటరాక్ట్‌ ఆపరేషన్‌లో ఉపయోగించే కార్బన్‌ రూపాంతరం ఏది?

1) గ్రాఫైట్‌    2) నానోట్యూబ్స్‌    3) గ్రాఫిన్‌    4) వజ్రం

సమాధానాలు

1-2, 2-1, 3-3, 4-1, 5-1, 6-1, 7-3, 8-4, 9-4, 10-4.

రచయిత: చంటి రాజుపాలెం