UP Board Class 10 Science: Chapter - 4 Study Notes

Chapter 4: "Carbon and Its Compounds" (कार्बन एवं उसके यौगिक)

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• It is found in the Earth's crust at about 0.02% and in the atmosphere as carbon dioxide at 0.03%. 
• Carbon is the basis of all living organisms and is present in materials such as paper, plastic, leather and rubber. 
• Carbon is named after the Latin word 'carbo' meaning 'coal'. 
• Carbon is a non-metal. 
• It is written with the symbol 'C'. 
• After oxygen and hydrogen, carbon is the third most important element.

( 

• यह पृथ्वी की परत में लगभग 0.02% और वायुमंडल में कार्बन डाइऑक्साइड के रूप में 0.03% पाया जाता है। 
• कार्बन सभी जीवित जीवों का आधार है और कागज, प्लास्टिक, चमड़ा और रबर जैसी वस्तुओं में मौजूद है।
• कार्बन का नाम लैटिन शब्द ‘कार्बो’ से बना है।जिसका मतलब है,’कोयला’।
• कार्बन एक अधातु है।
• इसको प्रतीक ‘C’ से लिखते है।
• ऑक्सीजन व हाइड्रोजन के बाद , कार्बन तीसरा सबसे ज़रूरी तत्व माना गया है।)

Bonding in Carbon (कार्बन में बंधन):

Carbon has an electronic configuration of K-2, L-4, indicating four valence electrons. To achieve a stable noble gas configuration, carbon shares its electrons with other atoms, forming covalent bonds. This sharing allows carbon to form a vast number of compounds.

Atomic number of carbon (C) – 6

Electronic configuration = K 2,L4 

(कार्बन का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास K-2, L-4 है, जो चार संयोजक इलेक्ट्रॉनों को दर्शाता है। स्थिर गैस विन्यास प्राप्त करने के लिए, कार्बन अपने इलेक्ट्रॉनों को अन्य परमाणुओं के साथ साझा करता है, जिससे सहसंयोजक बंधन बनते हैं। इस साझाकरण के कारण कार्बन असंख्य यौगिक बना सकता है।

कार्बन(C)की परमाणु संख्या – 6

इलेक्ट्रॉनिक विन्यास = K 2,L4 

Covalent bond :

The bond which is formed by sharing of electrons of same or different types of atoms is called covalent bond. 

Example - H2,O2

There are three types of covalent bonds.

1) Single bond: Sharing of 1-1 electrons

2) Double bond: Sharing of 2-2 electrons

3) Triple bond: Sharing of 3-3 electrons

(सह संयोजी आबन्ध  :

वह बन्ध, जो एक ही प्रकार या अलग अलग प्रकार के परमाणुओं के इलेक्ट्रॉनों की साझेदारी से बने हो, सह- संयोजी आबन्ध कहलाते हैं।

उदाहरण : H2, O2 

सह संयोजी आबन्ध तीन प्रकार के होते हैं।

1) एकल आबन्ध: 1-1 इलेक्ट्रॉनों की साझेदारी

2) द्वि आबन्ध: 2-2 इलेक्ट्रॉनों की साझेदारी

3) त्रि आबन्ध: 3-3 इलेक्ट्रॉनों की साझेदारी )

Allotropes of Carbon (कार्बन के अपररूप):

Carbon exists in several allotropic forms, including:

(कार्बन के कई अपररूप होते हैं, जिनमें शामिल हैं:)

1.Diamond: 

• Each carbon atom is tetrahedrally bonded to four other carbon atoms, forming a rigid three-dimensional structure. 
• This makes diamond the hardest natural substance. 
• It is a insulator.
• It is a very shiny material.
• It is transparent.
• C-C परमाणुओं के मध्य की दूरी 154 Pm होती है।

Uses : In jwellery industry and glass cutting.

(हीरा: 

• प्रत्येक कार्बन परमाणु चार अन्य कार्बन परमाणुओं से चतुस्फलकीय अर्थात टेट्राहेड्रली बंधा होता है, जो एक कठोर त्रि-आयामी संरचना बनाता है।
• यह हीरे को सबसे कठोर प्राकृतिक पदार्थ बनाता है।
• यह एक विद्युत का कुचालक अर्थात इन्सुलेटर है।
• यह बहुत चमकदार पदार्थ है।
• यह पारदर्शी है।
• C-C परमाणुओं के मध्य की दूरी 154 Pm होती है।

उपयोग: आभूषण उद्योग और कांच काटने में। )

2.Graphite: 

• Each carbon atom is bonded to three other carbon atoms in flat hexagonal layers. 
• These layers can slide over each other, making graphite a good lubricant and conductor of electricity.

Uses: 

 In making lead and pencils 

 In making electrodes.

(ग्रेफाइट:  प्रत्येक कार्बन परमाणु तीन अन्य कार्बन परमाणुओं से समतल षट्कोणीय परतों में बंधित होता है। ये परतें एक-दूसरे पर फिसल सकती हैं, जिससे ग्रेफाइट एक अच्छा स्नेहक और विद्युत का सुचालक बनता है।

उपयोग :

 सीसा व पेन्सिल बनाने में

 इलेक्ट्रोड बनाने में ।)

3.Fullerenes: 

• Molecules made entirely of carbon, which are in the form of hollow spheres, ellipses or tubes
• Buckminsterfullerene (C₆₀) is a famous example.
• Invented by American scientist Buckminster Fullerene.
• Its structure is ball-like, hence it is also called buckyball.

(फुलेरीन: 

• पूरी तरह से कार्बन से बनी अणु, जो खोखले गोले, दीर्घवृत्ताकार या नलियों के रूप में होते हैं
• बकमिन्स्टरफुलेरीन (C₆₀) एक प्रसिद्ध उदाहरण है।
• अमेरिकी वैज्ञानिक बकमिन्सटर फुलरीन ने बताया ।
• इसकी सरंचना बॉल जैसी होती है, इसीलिए इसे बकीबॉल भी कहते है।)

Versatile Nature of Carbon (कार्बन की बहुमुखी प्रकृति):

Carbon exhibits catenation, the ability to form long chains and rings with other carbon atoms. This property leads to the formation of a vast number of organic compounds.

(कार्बन में श्रृंखला निर्माण (कैटेनेशन) की क्षमता होती है, जिससे यह अन्य कार्बन परमाणुओं के साथ लंबी श्रृंखलाएं और वलय बना सकता है। इस गुण के कारण असंख्य कार्बनिक यौगिकों का निर्माण होता है।)

Hydrocarbons (हाइड्रोकार्बन):

Compounds composed solely of carbon and hydrogen are called hydrocarbons. They are categorized into:

(केवल कार्बन और हाइड्रोजन से बने यौगिकों को हाइड्रोकार्बन कहते हैं। इन्हें निम्नलिखित में वर्गीकृत किया जाता है:)

Saturated Hydrocarbons (Alkanes): Contain single bonds between carbon atoms. General formula: CₙH₂ₙ₊₂.

Ex- Methane,Ethane,Propane.

(संतृप्त हाइड्रोकार्बन (एल्केन): इनमें कार्बन परमाणुओं के बीच एकल बंध होते हैं। सामान्य सूत्र: CₙH₂ₙ₊₂

उदाहरण- मीथेन, ईथेन, प्रोपेन।)

Unsaturated Hydrocarbons:

(असंतृप्त हाइड्रोकार्बन:)

Alkenes: Contain at least one double bond. General formula: CₙH₂ₙ.

Example- Methene,Ethene,Propene

(एल्कीन: इनमें कम से कम एक द्वि-बंध होता है। सामान्य सूत्र: CₙH₂ₙ

उदाहरण- मिथीन, एथीन, प्रोपीन )

Alkynes: Contain at least one triple bond. General formula: CₙH₂ₙ₋₂.

Example - Methyne,Ethyne,Propyne.

(एल्काइन: इनमें कम से कम एक त्रि-बंध होता है। सामान्य सूत्र: CₙH₂ₙ₋₂

उदाहरण - मेथाईन, एथाईन, प्रोपाइन)

1 carbon atom Meth- ( मेथ )

2 carbon atom Eth- ( एथ )

3 carbon atom Prop- ( प्रोप )

4 carbon atom But- ( ब्युट )

5 carbon atom Pent- ( पेंट )

6 carbon atom Hex- ( हेक्स )

7 carbon atom Hept- ( हेप्ट )

8 carbon atom Oct- ( ओक्ट )

9 carbon atomNon- ( नोन )

10 carbon atom Dec- ( डेक )

Structural Isomerism (संरचनात्मक समावयवता):

Compounds with the same molecular formula but different structural arrangements are called structural isomers.

Example:  exists in two isomeric forms:

Straight Chain , Branched Chain 

(समान आणविक सूत्र वाले लेकिन विभिन्न संरचनात्मक व्यवस्था वाले यौगिक संरचनात्मक समावयव कहलाते हैं।

उदाहरण:  दो समावयव रूपों में पाया जाता है:

सीधी श्रृंखला , शाखित श्रृंखला)

Cyclic Compounds (चक्रीय यौगिक):

Carbon atoms can form cyclic structures, such as cyclohexane .

कार्बन परमाणु वलय के आकार में व्यवस्थित हो सकते हैं, जैसे साइक्लोहेक्सेन.

Functional Groups and Homologous : Series / कार्यात्मक समूह और समजातीय श्रेणी

Functional groups impart specific properties to compounds:

Examples: Hydroxyl (-OH), Carboxyl (-COOH), Aldehyde (-CHO).

Homologous series has compounds with the same functional group differing by CH₂.

कार्यात्मक समूह यौगिकों को विशिष्ट गुण प्रदान करते हैं:

उदाहरण: हाइड्रॉक्सिल (-OH), कार्बोक्सिल (-COOH), एल्डिहाइड (-CHO)।

समजातीय श्रेणी में CH₂ इकाई से भिन्न समान गुण वाले यौगिक होते हैं।

Nomenclature of Carbon Compounds / कार्बन यौगिकों का नामकरण :

IUPAC system uses:

Prefix: Substituents or functional groups.

Root word: Number of carbon atoms in the longest chain.

Suffix: Type of bond or functional group.

(IUPAC प्रणाली में शामिल हैं:

उपसर्ग: प्रतिस्थापक या कार्यात्मक समूह।

मूल शब्द: सबसे लंबी श्रृंखला में कार्बन की संख्या।

प्रत्यय: बंध या समूह का प्रकार।)

Chemical Properties of Carbon Compounds / कार्बन यौगिकों के रासायनिक गुण :

Combustion: Produces CO₂, water, and energy. 

(i) C + O2 → CO2+ heat and light

(ii) CH4+ O2 → CO2+ H2O + heat and light

(iii) CH3CH2OH + O2 → CO2+ H2O + heat and light

(दहन: CO₂, पानी और ऊर्जा का उत्पादन।)

Oxidation: Adds oxygen or removes hydrogen.

CH3CH2OH + alkaline KMnO4 +Heat ----> CH3COOH

(ऑक्सीकरण: ऑक्सीजन जोड़ना या हाइड्रोजन हटाना।)

Addition: Unsaturated hydrocarbons + hydrogen → Saturated hydrocarbons.

(योग अभिक्रिया: असंतृप्त → संतृप्त हाइड्रोकार्बन।)

R2-C=C-R2 +H2(Presence of Ni) ---> R2-CH-CH-R2

Substitution: Replacing hydrogen atoms with other atoms/groups.

CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl (in the presence of sunlight)

(प्रतिस्थापन: हाइड्रोजन को अन्य परमाणुओं से बदलना)

SOME IMPORTANT CARBON COMPOUNDS :

1. Ethanol (C₂H₅OH)

Physical Properties (भौतिक गुण):

• Colorless liquid with a pleasant smell.
• Boiling point: 78°C.
• Soluble in water in all proportions.
• Volatile and flammable.

Chemical Properties (रासायनिक गुण):

Combustion (दहन):

Ethanol burns with a blue flame, producing carbon dioxide and water.

Reaction with Sodium (सोडियम के साथ अभिक्रिया):

Reacts with sodium to form sodium ethoxide and hydrogen gas.

2Na + 2CH3CH2OH → 2CH3CH2O–Na +H2

Dehydration to Ethene (एथीन में जलविहीनता):

On heating with concentrated sulfuric acid, ethanol gets dehydrated to form ethene.

CH3CH2OH ---(hot conc H2SO4)---> CH2= CH2 + H O

Oxidation (ऑक्सीकरण):

Oxidized to ethanoic acid in the presence of an oxidizing agent like potassium dichromate () and sulfuric acid ().

Uses of Ethenol - 

• Used as a solvent in perfumes and medicines.
• Utilized in alcoholic beverages.
• Acts as a fuel and antifreeze.

2. Ethanoic Acid(CH₃COOH)(Acetic Acid)

Physical Properties (भौतिक गुण):

• Colorless liquid with a sharp vinegar-like smell.
• 5-8% solution of acetic acid in water is called vinegar and is used widely as a preservative in pickles.
• Freezing point: 16.6°C (forms glacial acetic acid).
• Soluble in water and forms hydrogen bonds.

Chemical Properties (रासायनिक गुण):

Reaction with Sodium Carbonate/Bicarbonate (सोडियम कार्बोनेट/बाइकार्बोनेट के साथ अभिक्रिया):

Reacts to produce carbon dioxide gas.

2CH3COOH + Na2CO3 → 2CH3COONa + H2O + CO2

Esterification (एस्टरीकरण):

Reacts with ethanol in the presence of concentrated sulfuric acid to form ethyl ethanoate (an ester).

CH3COOH(ethenoic acid) + CH3CH2OH (ethenol) --(Acid)--> CH3-CO-O-CH2CH3(ester) + H2O

Reaction with Base (क्षार के साथ अभिक्रिया):

Neutralizes bases to form salt and water.

NaOH + CH3COOH → CH3COONa + H2O

Uses of Ethenoic Acid :

Main component of vinegar.

Used in the preparation of esters, which are used in perfumes.

Acts as a preservative and food additive.

SOAPS AND DETERGENTS :

SOAPS are molecules in which the two ends have differing properties, one is HYDROPHILIC, that is, it interacts with water, while the other end is HYDROPHOBIC, that is, it interacts with hydrocarbons. 

(साबुन ऐसे अणु होते हैं जिनके दोनों सिरों के गुण अलग-अलग होते हैं, एक हाइड्रोफिलिक होता है, यानी यह पानी के साथ क्रिया करता है, जबकि दूसरा सिरा हाइड्रोफोबिक होता है, यानी यह हाइड्रोकार्बन के साथ क्रिया करता है।)

Clusters of molecules in which the hydrophobic tails are in the interior of the cluster and the ionic ends are on the surface of the cluster. This formation is

called a MICELLE.

(अणुओं के समूह जिसमें हाइड्रोफोबिक पूंछ समूह के अंदरूनी भाग में होती है और आयनिक सिरे समूह की सतह पर होते हैं। इस गठन को मिशेल कहा जाता है।)

Definition: Soap is a sodium or potassium salt of long-chain fatty acids.

(परिभाषा: साबुन लंबी श्रृंखला वाले फैटी एसिड का सोडियम या पोटेशियम लवण है।)

Preparation: Made by the process of saponification, where fats or oils react with sodium hydroxide (NaOH) or potassium hydroxide (KOH).

(तैयारी: इसे सपोनिफिकेशन प्रक्रिया द्वारा तैयार किया जाता है, जिसमें वसा या तेल सोडियम हाइड्रॉक्साइड (NaOH) या पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड (KOH) के साथ प्रतिक्रिया करते है)

Properties:

Works in soft water.

It is Biodegradable.

(गुण: नरम पानी में कार्य करता है।ये जैव अपघटनी होते है)

Limitations:

Does not work well in hard water due to the formation of insoluble scum with calcium and magnesium ions.

(सीमाएँ:

कठोर पानी में प्रभावी नहीं क्योंकि कैल्शियम और मैग्नीशियम आयनों के साथ अघुलनशील मैल बनाता है।)

Detergent / डिटर्जेंट

Definition: Detergents are synthetic cleaning agents made from petroleum products, consisting of long-chain hydrocarbons with a sulfonate or sulfate group.

(परिभाषा: डिटर्जेंट पेट्रोलियम उत्पादों से बने कृत्रिम सफाई एजेंट हैं, जिनमें सल्फोनेट या सल्फेट समूह के साथ लंबी श्रृंखला के हाइड्रोकार्बन होते हैं।)

Types of Detergents:

Anionic Detergents: Negatively charged active part (e.g., sodium lauryl sulfate).

Cationic Detergents: Positively charged active part (e.g., quaternary ammonium salts).

Non-ionic Detergents: No charge on the active part.

(डिटर्जेंट के प्रकार:

ऋणायनिक डिटर्जेंट: सक्रिय भाग ऋणात्मक (जैसे, सोडियम लॉरिल सल्फेट)।

धनायनिक डिटर्जेंट: सक्रिय भाग धनात्मक (जैसे, चतुर्धात्विक अमोनियम लवण)।

गैर-आयनिक डिटर्जेंट: सक्रिय भाग पर कोई आवेश नहीं।

)

Properties:

Works in both hard and soft water.

Non-biodegradable (most detergents).

(गुण: 

कठोर और नरम पानी दोनों में कार्य करता है।

अधिकांश डिटर्जेंट जैव अपघटनीय नहीं होते।)

Advantages over Soap / साबुन पर लाभ:

Effective in hard water. Better cleaning action.

(कठोर पानी में प्रभावी। बेहतर सफाई क्रिया।)

 Environmental Impact / पर्यावरणीय प्रभाव

Soaps are eco-friendly and biodegradable.

Detergents, especially non-biodegradable ones, cause water pollution and harm aquatic life.

( साबुन पर्यावरण के अनुकूल और जैव अपघटनीय होते हैं।

डिटर्जेंट, विशेष रूप से गैर-जैव अपघटनीय, जल प्रदूषण और जलीय जीवन को नुकसान पहुंचाते हैं। )