4.1-Bonding in Carbon

4.1-Bonding in Carbon Important Formulae

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Carbon is a unique element that plays a fundamental role in organic chemistry. Its ability to form a variety of bonds and compounds makes it essential for life. Understanding carbon bonding is crucial for studying its compounds.

4.1.1 Tetravalency of Carbon

Carbon has four valence electrons in its outer shell, which allows it to form four covalent bonds with other atoms. This property is known as tetravalency:

  • By sharing its four valence electrons, carbon can achieve a stable electronic configuration similar to noble gases.
  • This tetravalency allows carbon to bond with a variety of elements, including hydrogen, oxygen, nitrogen, and other carbon atoms.
4.1.2 Types of Bonding

Carbon can form different types of bonds:

  • Covalent Bonds: Carbon primarily forms covalent bonds, where electrons are shared between atoms. For example, in methane (CH4), one carbon atom shares its electrons with four hydrogen atoms:
    • C + 4H → CH4
  • Double Bonds: Carbon can also form double bonds, where two pairs of electrons are shared between atoms. For instance, in ethene (C2H4), two carbon atoms share two pairs of electrons:
    • C2H4 → C=C
  • Triple Bonds: Carbon can form triple bonds, sharing three pairs of electrons. An example is ethyne (C2H2), where two carbon atoms share three pairs of electrons:
    • C2H2 → C≡C
4.1.3 Hybridization

Carbon exhibits hybridization, a process that mixes atomic orbitals to form new hybrid orbitals for bonding:

  • sp3 Hybridization: In methane, carbon undergoes sp3 hybridization, forming four equivalent sp3 orbitals that arrange themselves in a tetrahedral geometry.
  • sp2 Hybridization: In ethene, carbon undergoes sp2 hybridization, resulting in three sp2 orbitals that are arranged in a trigonal planar configuration, leaving one p orbital for the formation of a double bond.
  • sp Hybridization: In ethyne, carbon undergoes sp hybridization, forming two sp orbitals arranged linearly, which allows the formation of a triple bond.
4.1.4 Isomerism in Carbon Compounds

The versatility of carbon bonding leads to isomerism, where compounds with the same molecular formula have different structures and properties:

  • Structural Isomers: Compounds that differ in the arrangement of atoms. For example, butane (C4H10) can exist as n-butane and isobutane.
  • Geometric Isomers: Occur in compounds with double bonds, where the arrangement of substituents differs. For example, cis and trans isomers of 2-butene.
  • Stereoisomers: Isomers that differ in the spatial arrangement of atoms. These include enantiomers, which are mirror images of each other.
4.1.5 Role of Carbon in Organic Compounds

Carbon's bonding capabilities allow it to form a vast array of organic compounds:

  • Hydrocarbons: Compounds consisting only of carbon and hydrogen. They can be saturated (alkanes) or unsaturated (alkenes and alkynes).
  • Functional Groups: Carbon compounds can contain functional groups that determine their chemical properties. Common functional groups include -OH (hydroxyl), -COOH (carboxyl), and -NH2 (amino).
  • Polymers: Long chains of repeating units (monomers) formed from carbon-based compounds. Examples include plastics, proteins, and carbohydrates.


Covalent bond examples: (a) Oxygen, (b) Water, (c) Hydrogen chloride, (d) Carbon dioxide, (e) Dinitrogen, (f) Nitric oxide
MikeRun, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

4.1-Carbon की संयोजन (Bonding in Carbon)

कार्बन एक अद्वितीय तत्व है क्योंकि यह विभिन्न प्रकार के बंधों को बनाने की क्षमता रखता है। यह एक समूह 14 का तत्व है और इसके पास 4 वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं, जिससे यह अन्य तत्वों के साथ स्थिर यौगिक बनाने के लिए विभिन्न प्रकार के संयोजनों में सम्मिलित हो सकता है।

कार्बन के बंधन के प्रकार मुख्य रूप से दो होते हैं:

1. कोवेलेंट बंध (Covalent Bonding)

कोवेलेंट बंध तब बनते हैं जब दो या दो से अधिक परमाणु अपने इलेक्ट्रॉनों को साझा करते हैं। कार्बन के पास 4 वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं, इसलिए यह अपने 4 इलेक्ट्रॉनों को अन्य तत्वों के साथ साझा करके स्थिर यौगिक बना सकता है। उदाहरण के लिए, जब दो कार्बन परमाणु एक-दूसरे के साथ बंधते हैं, तो वे एक कोवेलेंट बंध बनाते हैं।

कार्बन का कोवेलेंट बंध बनाने की क्षमता इसे अन्य तत्वों के साथ जोड़ने में सक्षम बनाती है। उदाहरण के तौर पर, जब दो कार्बन परमाणु एक दूसरे के साथ बंधते हैं, तो वे एक डबल बंध बना सकते हैं। इस प्रकार के बंधन में दो इलेक्ट्रॉनों का आदान-प्रदान होता है।

2. कार्बन-हाइड्रोजन बंध

कार्बन और हाइड्रोजन के बीच भी कोवेलेंट बंध बनते हैं। जब एक कार्बन परमाणु अपने 4 वैलेंस इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करता है और 4 हाइड्रोजन परमाणुओं के साथ बंधता है, तो इसे मीथेन (CH4) कहा जाता है। इस प्रकार के बंधन में कार्बन और हाइड्रोजन के इलेक्ट्रॉन साझा होते हैं।

3. कार्बन के बंधों की विशेषताएँ

कार्बन के बंधों की कुछ विशेषताएँ निम्नलिखित हैं:

  • कार्बन आमतौर पर एकल, दोहरे या तिहरे बंधों में बंध सकता है।
  • कार्बन के बंध बहुत मजबूत होते हैं, और यह अन्य तत्वों के साथ स्थिर यौगिक बनाने की क्षमता रखता है।
  • यह लंबी और शाखित श्रृंखलाएँ बनाने की क्षमता रखता है, जो विभिन्न प्रकार के कार्बनिक यौगिकों के निर्माण का आधार बनता है।
4. कार्बन का आकार और Hybridization

कार्बन का परमाणु आकार और इसके इलेक्ट्रॉन संरचना की वजह से, यह विभिन्न प्रकार के hybridization (संयोजन) में सम्मिलित हो सकता है:

  • sp3 hybridization: जब कार्बन एकल बंधों में बंधता है, जैसे कि मीथेन (CH4) में।
  • sp2 hybridization: जब कार्बन दोहरे बंधों में बंधता है, जैसे कि एथिलीन (C2H4) में।
  • sp hybridization: जब कार्बन तिहरे बंधों में बंधता है, जैसे कि एसीटिलीन (C2H2) में।
5. कार्बन का संघटन (Bonding in Organic Compounds)

कार्बन के बंधों का अध्ययन करने से हम यह समझ सकते हैं कि यह किस प्रकार विभिन्न कार्बनिक यौगिकों जैसे कि एल्केन, एल्कीन, एल्काइन, अल्कोहल, एस्टर, और अन्य कार्बनिक यौगिकों का निर्माण करता है। कार्बन की विशेष bonding प्रवृत्तियाँ इन यौगिकों को उनके अद्वितीय गुणों के साथ स्थिर बनाती हैं।

6. कार्बन की संयोजन की विशेषता

कार्बन का संयोजन अत्यधिक लचीला है और यह जीवित और निर्जीव दोनों प्रकार के यौगिकों का हिस्सा बनता है। इस संयोजन की विशेषता यह है कि कार्बन एक-दूसरे के साथ बंधकर लंबी और जटिल श्रृंखलाएँ बना सकता है, जिनमें अन्य तत्वों के साथ विभिन्न प्रकार के बंध हो सकते हैं।

7. कार्बन के बंधों में ऊर्जा

जब कार्बन और अन्य तत्वों के बीच बंध बनते हैं, तो एक निश्चित मात्रा में ऊर्जा निकलती है। यह ऊर्जा उन यौगिकों की स्थिरता का निर्धारण करती है।

What would be the electron dot structure of Carbon Dioxide which has the formula CO$_2$?

Solution:

Electron Dot Structure of Carbon Dioxide (CO2)

The electron dot structure of carbon dioxide (CO2) involves the central carbon atom bonded to two oxygen atoms. Carbon has four valence electrons, while each oxygen atom has six. In CO2, carbon forms double bonds with each oxygen to satisfy the octet rule. The structure shows carbon in the center with two double bonds: O=C=O. Each oxygen atom has two lone pairs of electrons. This arrangement allows each atom to achieve a full valence shell, with carbon sharing four electrons and each oxygen sharing two, resulting in a stable molecule.

What would be the electron dot structure of a molecule of sulphur which is made up of eight atoms of sulphur? (Hint – The eight atoms of sulphur are joined together in the form of a ring.)

Solution:

Electron Dot Structure of Sulphur Molecule

The molecule of sulphur (S8) consists of eight sulphur atoms arranged in a cyclic structure, forming a ring. Each sulphur atom has six valence electrons. In the S8 ring, each atom forms two single bonds with its adjacent sulphur atoms, creating a continuous loop. The electron dot structure can be represented as follows: S–S–S–S–S–S–S–S, where each S represents a sulphur atom. Each bond indicates a pair of shared electrons, while the remaining four electrons on each atom are represented as two lone pairs. This configuration allows the molecule to be stable and closed.