4.2-Versatile Nature of Carbon

4.2-Versatile Nature of Carbon Important Formulae

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Carbon is known for its remarkable versatility, allowing it to form a vast array of compounds essential for life. This versatility is due to its unique bonding properties and the ability to form complex structures.

4.2.1 Tetravalency and Hybridization

Carbon's tetravalency allows it to form four covalent bonds with other atoms. This characteristic, coupled with hybridization, enables the creation of diverse molecular structures:

  • sp3 Hybridization: In this type, carbon forms four equivalent single bonds, leading to tetrahedral geometry. An example is methane (CH4).
  • sp2 Hybridization: Involves one s orbital and two p orbitals mixing to form three sp2 hybrid orbitals, creating a trigonal planar structure as seen in ethene (C2H4).
  • sp Hybridization: Here, two p orbitals and one s orbital mix, resulting in linear structures such as ethyne (C2H2).
4.2.2 Formation of Different Compounds

Carbon's ability to bond with various elements leads to the formation of different types of compounds:

  • Hydrocarbons: Compounds made up solely of carbon and hydrogen. They can be classified as:
    • Saturated Hydrocarbons (Alkanes): Contain only single bonds (e.g., propane, C3H8).
    • Unsaturated Hydrocarbons: Contain double or triple bonds (e.g., ethylene, C2H4, and acetylene, C2H2).
  • Functional Group Compounds: Carbon forms compounds with functional groups, altering their properties. Common functional groups include:
    • -OH (hydroxyl group) in alcohols
    • -COOH (carboxyl group) in carboxylic acids
    • -NH2 (amino group) in amines
4.2.3 Isomerism

The versatility of carbon leads to isomerism, where compounds have the same molecular formula but different structures:

  • Structural Isomers: Compounds that differ in the arrangement of atoms. For instance, butane (C4H10) can exist as n-butane and isobutane.
  • Stereoisomers: Compounds that have the same structure but differ in the spatial arrangement of atoms. Examples include cis-trans isomers in alkenes.
4.2.4 Formation of Complex Structures

Carbon's ability to form long chains and rings contributes to its versatility:

  • Long Chains: Carbon can link together to form long chains, resulting in polymers and other complex molecules.
  • Ring Structures: Carbon atoms can bond to form cyclic compounds, such as cyclohexane (C6H12).
4.2.5 Role in Biological Molecules

Carbon is the backbone of essential biological molecules:

  • Proteins: Composed of amino acids, which contain carbon, hydrogen, oxygen, and nitrogen. The sequence and structure of amino acids determine protein function.
  • Carbohydrates: Made of carbon, hydrogen, and oxygen, they serve as energy sources and structural components in living organisms.
  • Nucleic Acids: DNA and RNA, vital for genetic information storage and transfer, are composed of carbon-containing nucleotides.
4.2.6 Applications in Industry

The versatile nature of carbon has numerous applications across various industries:

  • Plastics: Carbon compounds are the basis for synthetic materials used in everyday products.
  • Fuels: Hydrocarbons serve as primary energy sources in the form of fossil fuels and biofuels.
  • Pharmaceuticals: Many drugs contain carbon compounds, playing critical roles in health and medicine.


Jmc73, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

4.2 - कार्बन की बहुमुखी प्रकृति (Versatile Nature of Carbon)

कार्बन एक अद्वितीय तत्व है जिसकी प्रकृति बहुत बहुमुखी (versatile) है। यह अपने चार इलेक्ट्रॉनों की वजह से विभिन्न प्रकार के संयोजनों को बनाने में सक्षम है। इसका परमाणु संख्या 6 है और यह अक्सर अपने चार घेरू (valency) इलेक्ट्रॉनों से बंधन बनाता है, जिससे यह न केवल साधारण रासायनिक यौगिकों का निर्माण करता है, बल्कि जटिल संरचनाओं को भी बनाने में सक्षम होता है। कार्बन की बहुमुखी प्रकृति के मुख्य कारण निम्नलिखित हैं:

1. कार्बन-कार्बन बंधन

कार्बन दूसरे कार्बन परमाणुओं के साथ आसानी से बंध सकता है और यह बंधन सिंगल, डबल, या ट्रिपल बंधन के रूप में हो सकते हैं। कार्बन के दो परमाणु अपने चार इलेक्ट्रॉनों के साथ विभिन्न प्रकार के बंधन बना सकते हैं:

  • सिंगल बंधन: यह बंधन एक जोड़ से होता है, जैसे कि एथेन (C2H6) में होता है।
  • डबल बंधन: यह बंधन दो जोड़ से होता है, जैसे कि एथीन (C2H4) में होता है।
  • ट्रिपल बंधन: यह बंधन तीन जोड़ से होता है, जैसे कि एथाइन (C2H2) में होता है।

इस प्रकार, कार्बन-कार्बन बंधन की विविधता इसकी बहुमुखी प्रकृति को दर्शाती है।

2. कार्बन का चतुर्थ (Tetrahedral) संयोग

कार्बन के चार वेलेन्स इलेक्ट्रॉन होने के कारण, यह चार अन्य परमाणुओं के साथ बंध सकता है। यह एक चतुर्थ संयोग (tetrahedral structure) का निर्माण करता है। यह बंधन एक ही आकार में होते हैं और सभी बंधन समान होते हैं। उदाहरण के लिए, मिथेन (CH4) में यह विशेषता स्पष्ट रूप से देखी जाती है।

3. यौगिकों का निर्माण

कार्बन की बहुमुखी प्रकृति के कारण, यह अपने साथ विभिन्न तत्वों के साथ बंधकर जटिल यौगिकों का निर्माण करता है। कार्बन हाइड्रोजन, आक्सीजन, नाइट्रोजन, सल्फर, क्लोरीन जैसे तत्वों के साथ मिलकर अनेकों प्रकार के यौगिकों का निर्माण करता है। उदाहरण के लिए:

  • हाइड्रोकार्बन (Hydrocarbons): केवल कार्बन और हाइड्रोजन से बने यौगिक, जैसे मीथेन (CH4) और एथेन (C2H6)।
  • ऑक्सीकार्बन यौगिक (Oxycarbons): इनमें ऑक्सीजन होता है, जैसे अल्कोहल (CH3OH)।
  • नाइट्रोजन यौगिक (Nitrogen compounds): जैसे अमोनिया (NH3) और नाइट्रेट्स।
4. अणुओं की लंबी श्रृंखलाएँ (Chain formation)

कार्बन आसानी से लंबी अणु श्रृंखलाओं का निर्माण करता है। यह श्रृंखलाएँ रैखिक (linear), शाखाकार (branched), या चक्रीय (cyclic) हो सकती हैं। इससे कार्बन के अनेकों विविध रासायनिक संरचनाएँ बनती हैं, जैसे कि बेंजीन (C6H6) में छह कार्बन परमाणुओं की सर्कुलर संरचना होती है।

5. रासायनिक क्रियाएँ और स्थिरता

कार्बन बहुत सी रासायनिक क्रियाओं में भाग लेता है, जैसे ऑक्सीकरण, हाइड्रोजनीकरण, और पॉलिमराइजेशन। इसके साथ ही, यह बहुत स्थिर और मजबूत बंधन बनाता है। कार्बन-कार्बन बंधन और कार्बन-हाइड्रोजन बंधन स्थिर होते हैं, जिससे यह यौगिक पर्यावरणीय प्रभावों से कम प्रभावित होते हैं।

6. बायोमोलिक्यूल्स में भूमिका

कार्बन जीवन के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह प्रोटीन, कार्बोहाइड्रेट, वसा और न्यूक्लिक एसिड (जैसे DNA और RNA) के निर्माण में शामिल है। इन बायोमोलिक्यूल्स के लिए कार्बन की बहुमुखी प्रकृति आवश्यक है।

How many structural isomers can you draw for pentane?

Solution:
3

Structural Isomers of Pentane

Pentane (C5H12) has three structural isomers due to the different ways in which the carbon atoms can be arranged. The isomers are: 1. **n-Pentane**: A straight-chain structure with all five carbon atoms connected in a row. 2. **Isopentane (2-Methylbutane)**: A branched structure where one methyl group is attached to the second carbon of a four-carbon chain. 3. **Neopentane (2,2-Dimethylpropane)**: A more branched structure with two methyl groups attached to the second carbon of a three-carbon chain. These different arrangements lead to distinct chemical properties for each isomer.

What are the two properties of carbon which lead to the huge number of carbon compounds we see around us?

Solution:

  • Tetravalency: Carbon has four valence electrons, allowing it to form four covalent bonds with other atoms, leading to a diverse range of compounds.
  • Catenation: Carbon can bond with itself to form long chains and complex structures, enabling the creation of a vast array of organic molecules.

What will be the formula and electron dot structure of cyclopentane?

Solution:

Formula and Electron Dot Structure of Cyclopentane

The formula of cyclopentane is C5H10. In its electron dot structure, each carbon atom is bonded to two hydrogen atoms and two adjacent carbon atoms. Cyclopentane forms a pentagonal ring with five carbon atoms connected in a cyclic manner. Each carbon atom shares one pair of electrons with its neighboring carbon atoms and another pair with hydrogen atoms. The electron dot structure can be represented with five carbon dots in a pentagonal arrangement, each bonded to hydrogen dots, illustrating the single covalent bonds between carbon and hydrogen.

Draw the structures for the following compounds.
(i) Ethanoic acid
(ii) Bromopentane* ?*Are structural isomers possible for bromopentane?
iii) Butanone
(iv) Hexanal.

Solution:

1. Ethanoic acid: CH3COOH

2. Bromopentane: C5H11Br (Yes, structural isomers are possible)

3. Butanone: CH3COCH2CH3

4. Hexanal: CH3(CH2)4CHO

How would you name the following compounds?
(i) CH$_3$—CH$_2$—Br