UPPSC 2022 प्रारंभिक प्रश्नपत्र-I · प्रश्न 54 / 150

सही उत्तर — (d) ग्रेफाइट। सामान्य परिस्थितियों में — कमरे के तापमान और एक वायुमण्डलीय दाब पर — ग्रेफाइट कार्बन का वह अपररूप है जिसकी ऊर्जा सबसे कम है, और इसलिये यह ऊष्मागतिकीय रूप से स्थिर रूप है। रसायन विज्ञान इसे औपचारिक रूप बनाकर ग्रेफाइट को तत्व कार्बन की सन्दर्भ अवस्था मानता है: ग्रेफाइट की मानक बनावट एन्थैल्पी को शून्य परिभाषित किया गया है, और कार्बन के अन्य सभी रूपों को इसके सापेक्ष उद्धृत किया जाता है। हीरा ग्रेफाइट से लगभग 2 किलोजूल प्रति मोल ऊपर बैठता है, जो छोटा पर धनात्मक है, और यही धनात्मक चिह्न इस प्रश्न का पूरा उत्तर है। सन्दर्भ अवस्था से ऊपर कुछ भी, कड़ाई से कहें तो, स्थिर के बजाय अधि-स्थिर (metastable) है। इसलिये चार विकल्पों में से, ग्रेफाइट वह है जिसमें अन्य तीनों बदल जाते यदि केवल ऊर्जा ही परिणाम तय करती।

• (a)फुलरीन — फुलरीन — जिनमें से पिंजरा-अणु C60, बकमिन्स्टरफुलरीन, सबसे जाना-पहचाना है — कार्बन के वास्तविक अपररूप हैं, पर ऊर्जा में ग्रेफाइट से स्पष्ट रूप से अधिक हैं। एक समतल षट्कोणीय चादर को बन्द पिंजरे में मोड़ना कार्बन-कार्बन बन्धों में विकृति (strain) डाल देता है, और उस विकृति-ऊर्जा की कीमत चुकानी पड़ती है। इस सूची के तीन वास्तविक अपररूपों में ये सबसे कम स्थिर हैं, सबसे अधिक स्थिर नहीं।
• (b)हीरा — यही वह जाल है जिसके इर्द-गिर्द प्रश्न बना है, और यह एक अच्छा जाल है, क्योंकि हीरे के बारे में जो कुछ भी विद्यार्थी जानता है वह 'स्थिर' कहता है: यह प्राकृतिक पदार्थों में सबसे कठोर है, रासायनिक रूप से अक्रिय है, और अनिश्चितकाल तक बना रहता है। परन्तु कठोरता एक यांत्रिक गुण है और कमरे के तापमान पर अक्रियता एक गतिज (kinetic) तथ्य है, ऊष्मागतिकीय नहीं। हीरा ग्रेफाइट से लगभग 2 kJ/mol ऊँची ऊर्जा पर है, इसलिये यह अधि-स्थिर है; यह जौहरी की खिड़की में ग्रेफाइट में इसलिये नहीं बदलता क्योंकि इसके दृढ़ त्रि-आयामी कार्बन-कार्बन बन्ध जालक को तोड़ने और पुनर्व्यवस्थित करने में एक विशाल सक्रियण अवरोध (activation barrier) लगता है। 'बदलता नहीं' को 'सबसे कम ऊर्जा' के साथ गड्ड-मड्ड करना ही ठीक वह भूल है जिसे यह प्रश्न परख रहा है। (पृथ्वी के मैंटल की गहराई में मिलने वाले बहुत ऊँचे दाब पर यह सन्तुलन उलट जाता है और हीरा स्थिर प्रावस्था बन जाता है — यही कारण है कि हीरे वहीं बनते हैं, धरातल पर नहीं।)
• (c)कोयला — कोयला उस अर्थ में कार्बन का रूप नहीं है जो प्रश्न का आशय है। यह बिल्कुल भी अपररूप नहीं है बल्कि एक विषमांगी अवसादी शैल है — परिवर्तित वनस्पति पदार्थ से बना जीवाश्म ईंधन जो कार्बन में समृद्ध है पर इसमें परिवर्तनशील अनुपात में हाइड्रोजन, ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, गन्धक, नमी और खनिज राख भी होती है। किसी अपररूप को किसी निश्चित संरचनात्मक व्यवस्था में शुद्ध तत्व होना चाहिये; कोयले में न तो शुद्धता है और न ही कोई एकल परिभाषित संरचना, इसलिये इसकी तुलना ग्रेफाइट, हीरा और फुलरीन से ऊष्मागतिकीय पैमाने पर बिल्कुल नहीं की जा सकती।

अपररूप (allotropes) किसी तत्व के उसी भौतिक अवस्था में भिन्न संरचनात्मक रूप हैं। कार्बन के कई हैं, और ये इस बात में भिन्न हैं कि प्रत्येक परमाणु कैसे बन्ध बनाता है। हीरे में हर कार्बन sp3 संकरित है और एक दृढ़ त्रि-आयामी जालक में चार पड़ोसियों से चतुष्फलकीय रूप से बन्धित है — इसलिये अत्यधिक कठोरता, बहुत उच्च ऊष्मीय चालकता और विद्युत रोधन। ग्रेफाइट में हर कार्बन sp2 संकरित है और समतल षट्कोणीय चादरों के भीतर तीन पड़ोसियों से बन्धित है, प्रति परमाणु एक इलेक्ट्रॉन चादर पर विस्थानीकृत (delocalised) छोड़ते हुए; चादरें स्वयं एक-दूसरे से केवल कमज़ोर बलों द्वारा जुड़ी रहती हैं। यह संरचना ग्रेफाइट के तीन परिचित गुणों को एक साथ समझाती है: यह नरम और फिसलनदार है क्योंकि चादरें फिसलती हैं, यह विद्युत का संचालन करता है विस्थानीकृत इलेक्ट्रॉनों के कारण, और यह निम्न-ऊर्जा व्यवस्था है क्योंकि sp2 चादर सामान्य दाब पर बन्धन को सर्वाधिक कुशलता से समेटती है। फुलरीन sp2 कार्बन के बन्द पिंजरे हैं, और ग्रेफीन ग्रेफाइट की एक अकेली अलग चादर है।

यहाँ तर्क-जाल शब्द 'स्थिर' के रोज़मर्रा के अर्थ में है। सामान्य बोलचाल में हीरा सबसे स्थिर वस्तु प्रतीत होता है जिसकी कल्पना की जा सकती है — यह जलता नहीं, बदरंग नहीं होता, घुलता नहीं और क्षय नहीं होता। ऊष्मागतिकी में 'स्थिर' का अर्थ केवल 'मुक्त ऊर्जा में सबसे कम' है, और उस कसौटी पर ग्रेफाइट जीतता है। दोनों के बीच की कड़ी ऊष्मागतिकी और गतिकी (kinetics) के भेद में है: कोई अभिक्रिया ऊर्जा की दृष्टि से प्रबल रूप से अनुकूल हो सकती है और फिर भी कभी न हो, क्योंकि उपलब्ध तापमान पर सक्रियण अवरोध बहुत अधिक है। हीरे का ग्रेफाइट में बदलना ठीक इसका पाठ्यपुस्तक उदाहरण है। जिस परीक्षार्थी ने यह भेद आत्मसात कर लिया है वह यह भी उत्तर दे सकता है कि हाइड्रोजन पेरॉक्साइड बोतल में क्यों टिका रहता है, पेट्रोल चिनगारी लगने तक क्यों नहीं जलता, और अतिसंतृप्त विलयन घण्टों बिना बदले क्यों बैठा रह सकता है।

• ग्रेफाइट तत्व कार्बन की सन्दर्भ अवस्था है: इसकी मानक बनावट एन्थैल्पी को शून्य परिभाषित किया गया है, और हीरा इससे लगभग 2 kJ/mol ऊपर स्थित है।
• कमरे के तापमान पर हीरे का बने रहना गतिज है, ऊष्मागतिकीय नहीं — ग्रेफाइट में परिवर्तन ऊर्जा की दृष्टि से अनुकूल है पर एक बहुत बड़े सक्रियण अवरोध द्वारा रोका जाता है।
• ग्रेफाइट में हर कार्बन sp2 संकरित है और षट्कोणीय चादरों में तीन पड़ोसियों से बन्धित है, प्रति परमाणु एक विस्थानीकृत इलेक्ट्रॉन छोड़ते हुए — इसलिये अच्छा विद्युत चालक और एक नरम ठोस स्नेहक; हीरे में हर कार्बन sp3 संकरित है और चार पड़ोसियों से बन्धित है, जो इसे सबसे कठोर प्राकृतिक पदार्थ और विद्युत रोधक बनाता है।
• C60 जैसे फुलरीन वास्तविक कार्बन अपररूप हैं पर विकृत पिंजरा-अणु हैं और ग्रेफाइट से कम स्थिर हैं।
• कोयला बिल्कुल भी कार्बन का अपररूप नहीं है — यह एक विषमांगी जीवाश्म-ईंधन शैल है जिसमें कार्बन के साथ हाइड्रोजन, ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, गन्धक और खनिज पदार्थ होते हैं।

• 'स्थिर' को 'कठोर' या 'अक्रिय' के रूप में पढ़ना। हीरा ज्ञात पदार्थों में सबसे कठोर और सबसे कम अभिक्रियाशील में से एक है, फिर भी यह दोनों क्रिस्टलीय अपररूपों में ऊष्मागतिकीय रूप से कम स्थिर है।
• कोयले को कार्बन का अपररूप मान लेना। कोयला परिवर्तनशील संघटन का एक शैल है, तत्व का कोई शुद्ध संरचनात्मक रूप नहीं, और इसे इस पैमाने पर स्थान नहीं दिया जा सकता।
• दाब की शर्त भूल जाना। हीरा वास्तव में बहुत ऊँचे दाब पर स्थिर प्रावस्था बन जाता है; प्रश्न का उत्तर सामान्य तापमान व दाब के लिये टिकता है, जो कि जब तक कोई प्रश्न अन्यथा न कहे, डिफ़ॉल्ट है।

दोनों आयोग कार्बन को पसन्द करते हैं क्योंकि एक ही विषय रसायन विज्ञान, पदार्थ-विज्ञान और करेंट अफेयर्स तीनों को एक साथ ले जाता है। UPPSC ने परीक्षार्थियों से फुलरीन, ग्रेफीन और अन्य अभियांत्रित पदार्थों को उनके प्रथम संश्लेषण की तिथि के अनुसार क्रमबद्ध करने को कहा है, और बार-बार पूछा है कि कौन-सा पदार्थ किस उद्देश्य के लिये प्रयोग होता है। UPSC अनुप्रयोग वाले छोर को प्राथमिकता देता है — 2012 में ग्रेफीन के गुण, 2020 में कार्बन नैनोट्यूब, 2025 में बैटरी पदार्थ के रूप में ग्रेफाइट। चारों अपररूपों को संरचना, बन्धन, गुण व उपयोग की एक ही सारणी के रूप में सीखें, और दोनों शैलियाँ आ जाती हैं।

• अभ्यास — वास्तविक PYQ नहीं

  ग्रेफाइट विद्युत का संचालन करता है जबकि हीरा नहीं करता। इसका कारण यह है कि ग्रेफाइट में

  • (a)हर कार्बन परमाणु चार अन्य कार्बन परमाणुओं से बन्धित है
  • (b)प्रति कार्बन परमाणु एक इलेक्ट्रॉन विस्थानीकृत है और गतिशील है
  • (c)कार्बन परमाणु हाइड्रोजन बन्धों द्वारा एक साथ बँधे हैं
  • (d)कार्बन परमाणु स्थायी धनात्मक आवेश रखते हैं

  उत्तर(b) प्रति कार्बन परमाणु एक इलेक्ट्रॉन विस्थानीकृत है और गतिशील है — ग्रेफाइट में हर कार्बन अपने चार संयोजी इलेक्ट्रॉनों में से तीन का प्रयोग षट्कोणीय चादर के भीतर सिग्मा बन्धों में करता है, चौथे को चादर पर विस्थानीकृत छोड़ते हुए। हीरे में सभी चार एकल बन्धों में बन्द हैं, इसलिये कोई गतिशील इलेक्ट्रॉन नहीं है और यह एक रोधक है।

• अभ्यास — वास्तविक PYQ नहीं

  कार्बन का निम्नलिखित में से कौन-सा रूप ठोस स्नेहक के रूप में और कुछ परमाणु रिएक्टरों में मॉडरेटर के रूप में प्रयोग होता है ?

  • (a)हीरा
  • (b)फुलरीन
  • (c)ग्रेफाइट
  • (d)चारकोल

  उत्तर(c) ग्रेफाइट — इसकी कमज़ोर रूप से जुड़ी चादरें एक-दूसरे पर फिसलती हैं, जो इसे उच्च तापमान पर काम करने वाला ठोस स्नेहक बनाती हैं, और इसका निम्न परमाणु द्रव्यमान व निम्न न्यूट्रॉन-अवशोषण इसे मानक न्यूट्रॉन मॉडरेटर बनाता है।