खालील दिलेल्या विधानांपैकी कोणती विधाने बरोबर आहेत ? (a) हिरा विद्युत दुर्वाहक आहे. (b) ग्रॅफाइट मध्ये द्विमितीय पत्रकासारखी संरचना असते. (c) ग्रॅफाइट विद्युत वाहक आहे. (d) खडकाला भोक पाडायला हिरा वापरतात.
- (1)वरील सर्व
- (2)फक्त (a), (b), (c)
- (3)फक्त (a), (b)
- (4)फक्त (b), (c)
बरोबर उत्तर पर्याय (1), म्हणजे 'वरील सर्व'. चारही विधाने बरोबर आहेत, आणि ती एकाच सलग कारणाने बरोबर आहेत : हिरा आणि ग्रॅफाइट ही एकाच मूलद्रव्याची — कार्बनाची — अपररूपे आहेत. दोन्हींत अणू तेच कार्बनाचे, फक्त त्यांची जोडणी वेगळी; आणि यादीतला प्रत्येक गुणधर्म त्या जोडणीच्या फरकातूनच निघतो. आधी हिरा घ्या. हिऱ्यातला प्रत्येक कार्बन अणू चतुष्फलकाच्या कोपऱ्यांवरील चार शेजारी अणूंशी प्रबळ सहसंयुजी बंधांनी जोडलेला असतो, आणि हीच रचना संपूर्ण स्फटिकभर पुन्हा पुन्हा चालू राहते; म्हणजे अख्खा हिरा हा एकच अवाढव्य रेणू असतो. कार्बनाच्या बाहेरच्या कक्षेतले चारही इलेक्ट्रॉन बंधांत गुंतलेले असतात आणि रचनेतून वाहत जाईल असा एकही मोकळा इलेक्ट्रॉन उरत नाही. विद्युत प्रवाह म्हणजे हलत्या विद्युत भाराचा प्रवाह; त्यामुळे हिरा वीज वाहत नाही, आणि विधान (a) बरोबर आहे. सहसंयुजी बंधांचे हेच ताठर त्रिमिती जाळे हिऱ्याला निसर्गात आढळणारा सर्वात कठीण पदार्थ बनवते, आणि छिद्र पाडणाऱ्या किंवा कापणाऱ्या हत्याराला नेमकी तीच कठिणता लागते : खाणकामात व तेलशोधात खडकाला भोक पाडणाऱ्या यंत्रांच्या टोकाला हिरा बसवला जातो, आणि उद्योगात हिरा अपघर्षक म्हणून, तसेच कापण्या-घासण्याच्या कामासाठी वापरला जातो; म्हणून विधान (d) हेही बरोबर आहे. आता ग्रॅफाइट. ग्रॅफाइटमधला प्रत्येक कार्बन अणू फक्त तीनच शेजारी अणूंशी जोडलेला असतो, आणि ते तिन्ही बंध एकाच प्रतलात असतात; त्यामुळे अणू एकमेकांना जोडलेल्या षटकोनांची सपाट पत्रके तयार करतात — विधान (b) मध्ये सांगितलेली द्विमितीय पत्रकासारखी रचना हीच, आणि तीही बरोबर. ही पत्रके एकावर एक रचलेली असतात आणि त्यांच्यामध्ये फक्त दुर्बल बले असतात; म्हणूनच ग्रॅफाइट मऊ व निसरडा असतो, कोरडे वंगण म्हणून काम करतो, आणि पेन्सिलीचे 'शिसे' म्हणून वापरला जातो — कागदावर एका वेळी एक पत्रक मागे राहत जाते. प्रत्येक कार्बन अणूचा बाहेरच्या कक्षेतला चौथा इलेक्ट्रॉन पत्रकाच्या बंधांत मुळी वापरलाच जात नाही; तो थरांच्या दिशेने मुक्तपणे फिरू शकतो. हेच हलते इलेक्ट्रॉन ग्रॅफाइटला विद्युत वाहक बनवतात, म्हणून विधान (c) हेही बरोबर आहे; आणि याच कारणाने विद्युत अपघटनात व भट्ट्यांमध्ये विद्युत अग्रे ग्रॅफाइटची बनवली जातात. म्हणजे एकाच मूलद्रव्यापासून एकीकडे निसर्गातील सर्वात कठीण पदार्थ मिळतो आणि दुसरीकडे इतका मऊ पदार्थ की तो कागदावर घासला की खूण उमटते — फरक फक्त अणूंच्या मांडणीचा. मराठी स्तंभात विधान (a) 'हिरा विद्युत दुर्वाहक आहे' असे आले आहे, तर इंग्रजी स्तंभात 'non-conductor' असा शब्द आहे; अर्थ एकच निघतो आणि विधानाच्या खरे-खोटेपणावर त्याचा परिणाम होत नाही.
- (2)फक्त (a), (b), (c) — हा पर्याय रचना व विद्युत वाहकतेविषयीची तीन विधाने स्वीकारतो पण खडकाला भोक पाडायला हिरा वापरतात हे विधान (d) गाळतो — आणि ते विधान खरे आहे. हिऱ्याची कठिणता ज्या वैशिष्ट्यातून येते त्यातूनच त्याची विद्युत दुर्वाहकताही येते : प्रत्येक कार्बन अणू चार शेजाऱ्यांशी प्रबळ सहसंयुजी बंधांनी ताठर त्रिमिती जाळ्यात बांधलेला असतो, त्यामुळे स्फटिकाला ओरखडा पाडणे किंवा त्याचे थर सरकवणे शक्य होत नाही. खाणकाम व तेलशोधात वापरली जाणारी छिद्रयंत्रे नेमक्या याच गुणधर्मावर चालतात आणि त्यांच्या टोकाला औद्योगिक हिरे बसवलेले असतात. दागिन्यांचा हिरा आणि उद्योगातला हिरा हे दोन वेगळे बाजार आहेत एवढाच काय तो फरक; पदार्थ तोच आहे, आणि आज वापरले जाणारे बहुतांश औद्योगिक हिरे प्रयोगशाळेत बनवलेले असतात.
- (3)फक्त (a), (b) — हा पर्याय फक्त हिऱ्याची विद्युत दुर्वाहकता आणि ग्रॅफाइटची पत्रकासारखी रचना एवढी दोनच विधाने ठेवतो, आणि ग्रॅफाइटची विद्युत वाहकता व हिऱ्याचा छिद्र पाडण्यासाठीचा वापर ही दोन्ही नाकारतो — प्रत्यक्षात दोन्ही खरी आहेत. चारांपैकी सर्वात शिकवणारे विधान ग्रॅफाइटच्या वाहकतेचेच आहे, कारण तोच गुणधर्म धक्का देतो : कार्बन हा अधातू आहे आणि अधातू सामान्यतः वीज वाहत नाहीत. ग्रॅफाइट हा त्या नियमाचा ठळक अपवाद आहे, आणि त्याचे कारण रचनेत आहे — प्रत्येक अणूचे फक्त तीनच इलेक्ट्रॉन बंधांत गुंततात आणि चौथा थरांमध्ये मुक्तपणे फिरतो. एखादा पदार्थ वीज वाहतो की नाही हे तो धातू आहे की अधातू यावरून नव्हे, तर त्याच्यात हलणारा विद्युत भार आहे की नाही यावरून ठरते — हा धडा पुढेही उपयोगी पडतो.
- (4)फक्त (b), (c) — हा पर्याय ग्रॅफाइटविषयीची दोन विधाने ठेवतो आणि हिऱ्याविषयीची दोन्ही विधाने नाकारतो, पण ती दोन्हीही बरोबर आहेत. हिरा वीज वाहत नाही, कारण त्याचे बाहेरच्या कक्षेतले चारही इलेक्ट्रॉन सहसंयुजी बंधांत अडकलेले असतात आणि विद्युत भार वाहून नेणारा एकही मोकळा इलेक्ट्रॉन उरत नाही; आणि हिरा खडकाला भोक पाडायला वापरतात, कारण त्याच बंधरचनेमुळे तो निसर्गात आढळणारा सर्वात कठीण पदार्थ ठरतो. एक बारीक भर घालण्यासारखी : हिरा वीज वाहत नसला तरी उष्णता मात्र उत्तम वाहतो — स्फटिकातील अणूंची कंपने ताठर जाळ्यातून झपाट्याने पुढे जातात — म्हणजे उष्णतेचा वाहक आणि विजेचा वाहक या दोन वेगळ्या गोष्टी आहेत हेही या पदार्थावरून शिकता येते.
एकाच मूलद्रव्याची, एकाच अवस्थेतील पण वेगवेगळ्या रचनेची रूपे म्हणजे अपररूपे, आणि कार्बन हे त्याचे उत्तम उदाहरण आहे. हिऱ्यात प्रत्येक कार्बन अणू चतुष्फलकाच्या कोपऱ्यांवरील चार शेजाऱ्यांशी सहसंयुजी बंधांनी जोडलेला असतो; ही रचना संपूर्ण स्फटिकभर चालू राहते, कोणताही इलेक्ट्रॉन मोकळा उरत नाही, आणि म्हणून हिरा अतिशय कठीण, उच्च वितळणबिंदूचा आणि विजेचा दुर्वाहक ठरतो — पण उष्णतेचा उत्तम वाहक. ग्रॅफाइटमध्ये प्रत्येक अणू तीनच शेजाऱ्यांशी एकाच प्रतलात जोडलेला असून षटकोनांची सपाट पत्रके तयार होतात; ती पत्रके एकावर एक रचलेली असतात आणि त्यांच्यात फक्त दुर्बल बले असतात, म्हणून ग्रॅफाइट मऊ व निसरडा असतो. प्रत्येक अणूचा चौथा इलेक्ट्रॉन बंधात न गुंतता थरांत मुक्त राहतो आणि तोच ग्रॅफाइटला विद्युत वाहक बनवतो. यातून वापरही ठरतात : हिरा कापण्या-घासण्याच्या हत्यारांत, खडकाला भोक पाडणाऱ्या यंत्रांत व दागिन्यांत; ग्रॅफाइट पेन्सिलीचे शिसे, कोरडे वंगण, विद्युत अग्रे आणि अणुभट्टीतील मंदक म्हणून. कार्बनाची इतरही अपररूपे परीक्षेच्या दृष्टीने महत्त्वाची आहेत — फुलेरिन म्हणजे साठ कार्बन अणूंचा पोकळ गोळा, कार्बन नॅनोट्यूब, आणि ग्राफीन म्हणजे ग्रॅफाइटचे एकच अणुजाड पत्रक. काजळी, कोक व लोणारी कोळसा ही अस्फटिकरूप अपररूपे आहेत.
कार्बन आणि त्याची अपररूपे हा एमपीएससीच्या रसायनशास्त्र भागातील अतिशय आवडता विषय आहे, कारण एकाच जोडीवर — हिरा आणि ग्रॅफाइट — रचना, गुणधर्म आणि उपयोग असे तिन्ही स्तर तपासता येतात. या प्रश्नाची रचना त्या तिन्ही स्तरांना स्पर्श करते : विधान (a) व (c) विद्युत वाहकतेची, विधान (b) रचनेची आणि विधान (d) उपयोगाची. चारही विधाने बरोबर असल्याने प्रश्न सोपा वाटतो, पण त्यातला खरा सापळा वेगळाच आहे — 'वरील सर्व' असा पर्याय दिसला की अनेक उमेदवार तो निवडायला कचरतात आणि सुरक्षित वाटणारा तीन विधानांचा पर्याय घेतात. अशा वेळी अंदाजावर न जाता प्रत्येक विधान स्वतंत्रपणे खरे की खोटे एवढेच तपासावे; एकही विधान खोटे निघाले नाही तर सर्वसमावेशक पर्याय निवडण्यात संकोच करू नये. मराठी स्तंभातील एक शब्दफरक नोंदवण्यासारखा : विधान (a) मध्ये 'विद्युत दुर्वाहक' असा शब्द आहे, तर इंग्रजी स्तंभात 'non-conductor'; अर्थ तोच निघतो आणि उत्तरावर परिणाम होत नाही. हिऱ्याची विद्युत दुर्वाहकता व त्याची उष्णतावाहकता यांतला फरक हा आयोगाचा आणखी एक आवडता मुद्दा असून तो या प्रश्नात आलेला नाही, पण पुढे येऊ शकतो.
- हिरा व ग्रॅफाइट ही कार्बनाची अपररूपे आहेत — मूलद्रव्य एकच, फरक फक्त अणूंच्या मांडणीचा; आणि दोघांच्या गुणधर्मांतील प्रत्येक फरक त्या मांडणीतूनच निघतो.
- हिऱ्यात प्रत्येक कार्बन अणू चतुष्फलकीय मांडणीत चार शेजाऱ्यांशी सहसंयुजी बंधांनी जोडलेला असतो; एकही इलेक्ट्रॉन मोकळा नसल्याने तो वीज वाहत नाही, आणि ताठर त्रिमिती जाळ्यामुळे तो निसर्गातील सर्वात कठीण पदार्थ ठरतो.
- ग्रॅफाइटमध्ये प्रत्येक अणू एकाच प्रतलातील तीन शेजाऱ्यांशी जोडलेला असून षटकोनांची द्विमितीय पत्रके तयार होतात; ती दुर्बल बलांनी एकावर एक धरलेली असतात, म्हणून तो मऊ व निसरडा असतो.
- ग्रॅफाइटमधील प्रत्येक कार्बन अणूचा चौथा इलेक्ट्रॉन बंधात न गुंतता थरांत मुक्तपणे फिरतो, आणि तोच ग्रॅफाइटला विद्युत वाहक बनवतो; अधातू असूनही वीज वाहणारा हा ठळक अपवाद आहे.
- उपयोग रचनेवरूनच ठरतात : हिरा खडकाला भोक पाडणाऱ्या यंत्रांत, कापण्या-घासण्याच्या हत्यारांत व अपघर्षक म्हणून; ग्रॅफाइट पेन्सिलीचे शिसे, कोरडे वंगण, विद्युत अग्रे आणि अणुभट्टीतील मंदक म्हणून.
एकही विधान चुकत नाही, म्हणून चारही विधानांचा समावेश करणारा पर्याय (1) हेच उत्तर. उमेदवार हा गुण एका ठरावीक पद्धतीने गमावतात : तीन विधाने खरी निघाल्यावर त्या साचावरच अविश्वास वाटू लागतो आणि ते चौथ्या विधानात मुद्दाम दोष शोधायला लागतात. यादीतला प्रत्येक गुणधर्म एकाच रचनात्मक तथ्यातून निघतो — हिऱ्यात प्रत्येक कार्बन अणू त्रिमितीत चार शेजाऱ्यांशी बांधलेला असतो, तर ग्रॅफाइटमध्ये प्रत्येक अणू एकाच प्रतलात तीन शेजाऱ्यांशी — आणि म्हणूनच ही जोडी अपररूपतेचे ठरलेले उदाहरण आहे : एकाच मूलद्रव्यापासून निसर्गातला सर्वात कठीण पदार्थ आणि वापरातल्या सर्वात मऊ पदार्थांपैकी एक, एक विद्युतरोधक आणि एक विद्युतवाहक, एक पारदर्शक स्फटिक आणि एक अपारदर्शक करडा घन. मोजून सांगण्यासारखी एक नोंद : हा पेपर सुटकेचे पर्याय अनेक वेगवेगळ्या शब्दांत छापतो, आणि इथला नेमका शब्दप्रयोग 'वरील सर्व' मराठी स्तंभात शंभर प्रश्नांत फक्त दोनदा येतो — इथे, आणि पस्तिसाव्या प्रश्नात. लगेच पुढच्या प्रश्नात तोच सुटकेचा पर्याय 'वरीलपैकी सर्व' अशा वेगळ्या शब्दांत छापला आहे. म्हणून लक्षात ठेवलेल्या जागेकडे हात न नेता पर्यायाचा मजकूर वाचावा.
- 'वरील सर्व' हा पर्याय संशयास्पद मानून टाळणे; प्रत्येक विधान स्वतंत्रपणे तपासावे आणि एकही खोटे नसेल तर सर्वसमावेशक पर्याय निवडण्यात संकोच करू नये
- अधातू म्हणजे वीज वाहत नाही असे सरसकट मानणे; ग्रॅफाइट अधातू असूनही वाहक आहे, कारण त्याच्या रचनेत मुक्त इलेक्ट्रॉन शिल्लक राहतात
- हिरा वीज वाहत नाही म्हणून तो उष्णताही वाहत नाही असे मानणे; प्रत्यक्षात हिरा उष्णतेचा उत्तम वाहक आहे, आणि दोन्ही वाहकता वेगवेगळ्या यंत्रणांवर चालतात
- हिरा व ग्रॅफाइट ही वेगवेगळी मूलद्रव्ये आहेत असे समजणे; दोन्ही कार्बनच आहेत आणि त्यांच्यातील सर्व फरक केवळ अणूंच्या मांडणीतून येतो
कार्बनाच्या अपररूपांवर एमपीएससी काही ठरावीक आकारांचे प्रश्न विचारते : रचनेवरून पदार्थ ओळखा, गुणधर्मावरून पदार्थ ओळखा, नाव दिलेल्या उपयोगामागचा गुणधर्म कोणता, आणि इथल्यासारखी अनेक विधानांची यादी देऊन कोणती बरोबर ते विचारा. हिऱ्याची विद्युत दुर्वाहकता व उष्णतावाहकता, ग्रॅफाइटची विद्युत वाहकता व मऊपणा, आणि दोघांच्या रचनेतील बंधसंख्येचा फरक — चार विरुद्ध तीन — हे मुद्दे परत परत येतात. आयोग या विषयाला आधुनिक पदार्थांशीही जोडतो, विशेषतः ग्राफीन व कार्बन नॅनोट्यूब यांच्याशी, कारण ते चालू घडामोडींतील विज्ञान भागातही येतात. तयारीसाठी सर्वात उपयुक्त गोष्ट म्हणजे एक छोटा तक्ता — डावीकडे रचना, मधे त्यातून निघणारा गुणधर्म आणि उजवीकडे त्यावर आधारलेला उपयोग. असा तक्ता एकदा तयार केला की या विषयावरचा कोणताही प्रश्न पाठांतरावर नव्हे तर कारणमीमांसेवर सुटतो.
या प्रश्नाशी थेट संबंधित मागील PYQ आढळला नाही.
- सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही
ग्रॅफाइट हा अधातू असूनही विजेचा उत्तम वाहक आहे; याचे नेमके कारण खालीलपैकी कोणते ?
- (a)त्याच्या रचनेत आयन मुक्तपणे हलू शकतात
- (b)प्रत्येक कार्बन अणूचा चौथा इलेक्ट्रॉन बंधात न गुंतता थरांत मुक्त राहतो
- (c)त्याचे थर एकमेकांवर सहज सरकतात
- (d)त्यात प्रत्येक कार्बन अणू चार शेजाऱ्यांशी जोडलेला असतो
उत्तर(b) प्रत्येक कार्बन अणूचा चौथा इलेक्ट्रॉन बंधात न गुंतता थरांत मुक्त राहतो. ग्रॅफाइटमध्ये कार्बन अणू एकाच प्रतलातील तीनच शेजाऱ्यांशी जोडलेले असतात, म्हणून चौथा इलेक्ट्रॉन शिल्लक राहतो आणि तो थरांच्या दिशेने फिरून विद्युत भार वाहून नेतो. थर सहज सरकतात हे खरे, पण त्यातून मऊपणा व वंगणाचा गुणधर्म येतो, वाहकता नाही; ग्रॅफाइटमध्ये आयन नसतात; आणि चार शेजाऱ्यांची जोडणी ही हिऱ्याची रचना असून तीमुळे तर एकही इलेक्ट्रॉन मोकळा उरत नाही.
- सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही
साठ कार्बन अणूंचा पोकळ गोलाकार रेणू असलेले कार्बनाचे अपररूप खालीलपैकी कोणते आहे ?
- (a)ग्राफीन
- (b)कार्बन नॅनोट्यूब
- (c)फुलेरिन
- (d)कोक
उत्तर(c) फुलेरिन. C-60 हे फुलेरिन साठ कार्बन अणूंचा पोकळ, फुटबॉलसारखा गोलाकार रेणू असून त्यात षटकोन व पंचकोन एकत्र गुंफलेले असतात; बकमिन्स्टर फुलर या वास्तुरचनाकाराच्या घुमटांवरून त्याला हे नाव मिळाले. ग्राफीन म्हणजे ग्रॅफाइटचे एकच अणुजाड पत्रक, कार्बन नॅनोट्यूब म्हणजे तेच पत्रक गुंडाळून तयार होणारी नळी, आणि कोक हे कार्बनाचे अस्फटिकरूप असून ते दगडी कोळशाच्या भंजक ऊर्ध्वपातनातून मिळते.