కార్బన్ సమ్మేళనాలు & పాలిమర్లు (Carbon Compounds)

ఒకే మూలకం వేర్వేరు భౌతిక రూపాల్లో ఉండటాన్ని రూపాంతరత (Allotropy) అంటారు. కార్బన్ అనేక రూపాంతరాలు కలిగి ఉంది. ఇవి పరీక్షల్లో ఎక్కువగా వచ్చే అంశం.

• వజ్రం (Diamond): ప్రకృతిలో అత్యంత కఠినమైన పదార్థం. విద్యుత్ వాహకం కాదు (ఎలక్ట్రాన్లు స్వేచ్ఛగా ఉండవు). ఆభరణాలు, గాజు కోసే పనిముట్లు, డ్రిల్ బిట్లలో వాడతారు. ప్రతి కార్బన్ పరమాణువు నాలుగు ఇతర పరమాణువులతో బంధిస్తుంది.
• గ్రాఫైట్ (Graphite):
  1. మెత్తగా, జారుడుగా ఉంటుంది
  2. విద్యుత్ వాహకం (అలోహాల్లో అరుదైన లక్షణం). పెన్సిల్ 'సీసం', విద్యుత్ ఎలక్ట్రోడ్లు, కందెన (Lubricant), అణు రియాక్టర్లలో మోడరేటర్‌గా వాడతారు.
• ఫుల్లరీన్ (Fullerene): C₆₀ – ఫుట్‌బాల్ ఆకారం. బక్‌మిన్‌స్టర్ ఫుల్లరీన్ అని కూడా అంటారు. కనుగొన్నవారు క్రోటో, స్మాలీ, కర్ల్ (1985).
• గ్రాఫీన్ (Graphene):
  1. గ్రాఫైట్ యొక్క ఒకే పొర
  2. అత్యంత పలుచని, బలమైన, వాహక పదార్థం.
• అస్ఫటిక రూపాలు (Amorphous): బొగ్గు (Coal), కోక్, చార్‌కోల్ (కట్టెబొగ్గు), మసి (Lamp black).
• కార్బన్ ప్రత్యేకత:
  1. చతుః సంయోజకత (Tetravalency): నాలుగు బంధాలు ఏర్పరుస్తుంది.
  2. శృంఖలనం (Catenation): కార్బన్ పరమాణువులు ఒకదానితో ఒకటి కలిసి పొడవైన గొలుసులు ఏర్పరుస్తాయి. అందుకే అసంఖ్యాక కార్బన్ సమ్మేళనాలు ఉన్నాయి.

కార్బన్, హైడ్రోజన్ అనే రెండు మూలకాలు మాత్రమే ఉన్న సమ్మేళనాలను హైడ్రోకార్బన్లు అంటారు. బంధాల రకాన్ని బట్టి ఇవి మూడు రకాలుగా ఉంటాయి.

• ఆల్కేన్లు (Alkanes):
  1. అన్ని బంధాలు ఏక బంధాలు (సంతృప్త)
  2. సాధారణ సూత్రం CₙH₂ₙ₊₂.
• మీథేన్ (CH₄), ఈథేన్ (C₂H₆), ప్రొపేన్ (C₃H₈), బ్యూటేన్ (C₄H₁₀).
• మీథేన్‌ను మార్ష్ గ్యాస్ అంటారు
• బయోగ్యాస్, సహజ వాయువు (CNG) లో ప్రధాన భాగం.
• ఆల్కీన్లు (Alkenes):
  1. ఒక ద్వి బంధం (C=C)
  2. సూత్రం CₙH₂ₙ. ఉదా: ఈథీన్ (ఇథిలీన్) – పండ్లు పక్వానికి రావడానికి వాడతారు, పాలిథీన్ తయారీకి ముడి పదార్థం.
• ఆల్కైన్లు (Alkynes):
  1. ఒక త్రి బంధం (C≡C)
  2. సూత్రం CₙH₂ₙ₋₂. ఉదా: ఈథైన్ (ఎసిటిలీన్) – వెల్డింగ్, గ్యాస్ కటింగ్‌లో వాడతారు.
• LPG: ప్రధానంగా బ్యూటేన్, ప్రొపేన్ మిశ్రమం. లీకేజీ గుర్తించడానికి ఇథైల్ మెర్కాప్టాన్ అనే వాసన పదార్థం కలుపుతారు.
• సంతృప్త, అసంతృప్త:
  1. ఏక బంధాలు మాత్రమే ఉంటే సంతృప్త
  2. ద్వి/త్రి బంధాలు ఉంటే అసంతృప్త సమ్మేళనాలు.
• దహనం: హైడ్రోకార్బన్ + ఆక్సిజన్ → CO₂ + నీరు + ఉష్ణం. ఆక్సిజన్ తక్కువైతే విషపూరిత కార్బన్ మోనాక్సైడ్ (CO) వస్తుంది.
• ద్రవీభవన:
  1. హైడ్రోకార్బన్లు సాధారణంగా నీటిలో కరగవు
  2. ఉష్ణ వాహకాలు కావు.

కార్బన్ సమ్మేళనంలో రసాయన లక్షణాలను నిర్ణయించే ప్రత్యేక పరమాణు సమూహాన్ని క్రియాత్మక సమూహం (Functional Group) అంటారు.

• క్రియాత్మక సమూహాలు:
  1. ఆల్కహాల్ (–OH): ఇథనాల్
  2. ఆల్డిహైడ్ (–CHO): ఫార్మాల్డిహైడ్
  3. కీటోన్ (>C=O): ఎసిటోన్
  4. కార్బాక్సిలిక్ ఆమ్లం (–COOH): ఎసిటిక్ ఆమ్లం
• ఇథనాల్ (C₂H₅OH): సాధారణ ఆల్కహాల్. చక్కెరల కిణ్వనం (Fermentation) ద్వారా ఈస్ట్ సహాయంతో తయారవుతుంది.
• ఉపయోగాలు: ఔషధాలు, ద్రావణి, పెట్రోల్‌లో కలిపే ఇంధనం (ఇథనాల్ బ్లెండింగ్).
• డీనేచర్డ్ ఆల్కహాల్: తాగకుండా ఉండటానికి మిథనాల్ వంటివి కలిపిన ఇథనాల్.
• మిథనాల్ (CH₃OH):
  1. విషపూరితం
  2. తాగితే అంధత్వం, మరణం కలగవచ్చు.
• ఎసిటిక్ ఆమ్లం (CH₃COOH): వెనిగర్‌లో ఉంటుంది (సుమారు 5–8%). శుద్ధ ఎసిటిక్ ఆమ్లం చల్లని వాతావరణంలో మంచులా గడ్డకడుతుంది – దీన్ని గ్లేషియల్ ఎసిటిక్ ఆమ్లం (Glacial Acetic Acid) అంటారు.
• ఎస్టర్లు (Esters):
  1. ఆమ్లం + ఆల్కహాల్ చర్యలో ఏర్పడతాయి
  2. తీపి వాసన కలిగి ఉంటాయి. సుగంధ ద్రవ్యాలు, ఐస్‌క్రీమ్ ఫ్లేవర్లలో వాడతారు.
• సబ్బు తయారీ: ఎస్టర్లను క్షారంతో చర్య జరిపిస్తే సబ్బు వస్తుంది – దీన్ని సాపోనిఫికేషన్ అంటారు.

భూమి లోపల లభించే ముడి చమురు (Crude Oil) అనేక హైడ్రోకార్బన్ల మిశ్రమం. దీన్ని 'ద్రవ బంగారం' (Black Gold) అంటారు. రిఫైనరీలో అంశిక స్వేదనం ద్వారా దీనిలోని భాగాలను వేరు చేస్తారు.

• అంశిక స్వేదనం (Fractional Distillation): మరుగు స్థానాల తేడా ఆధారంగా భాగాలుగా విడగొట్టడం.
• భాగాలు (తేలికైన నుండి భారమైన వాటికి):
  1. పెట్రోలియం వాయువు (LPG)
  2. పెట్రోల్ (గ్యాసోలిన్) – వాహన ఇంధనం
  3. నాఫ్తా – రసాయన పరిశ్రమలు
  4. కిరోసిన్ – దీపం, జెట్ విమాన ఇంధనం
  5. డీజిల్ – బస్సులు, లారీలు, రైళ్లు
  6. కందెన నూనె (Lubricating Oil)
  7. పారఫిన్ మైనం – కొవ్వొత్తులు, వాసెలిన్
  8. బిటుమెన్ (తారు) – రోడ్ల నిర్మాణం (చివరి భాగం)
• పెట్రోకెమికల్స్: పెట్రోలియం నుండి ప్లాస్టిక్‌లు, ఎరువులు, కృత్రిమ నారలు, డిటర్జెంట్లు తయారవుతాయి.
• ఆక్టేన్ సంఖ్య (Octane Number):
  1. పెట్రోల్ నాణ్యత కొలమానం
  2. ఎక్కువ ఉంటే 'నాకింగ్' తక్కువ. డీజిల్ నాణ్యతను సీటేన్ సంఖ్య సూచిస్తుంది.
• CNG (Compressed Natural Gas):
  1. ప్రధానంగా మీథేన్
  2. పెట్రోల్, డీజిల్ కంటే తక్కువ కాలుష్యం.
• కెలోరిఫిక్ విలువ: ఇంధనం యూనిట్ ద్రవ్యరాశి దహనంలో విడుదలయ్యే ఉష్ణం. హైడ్రోజన్ ఇంధనాలలో అత్యధిక కాలరిఫిక్ విలువ కలిగి ఉంటుంది.

చిన్న అణువులు (మోనోమర్లు) వేల సంఖ్యలో కలిసి ఏర్పడిన పెద్ద అణువులను పాలిమర్లు అంటారు. 'పాలీ' అంటే అనేకం, 'మెర్' అంటే భాగం.

• సహజ పాలిమర్లు: పిండి పదార్థాలు (స్టార్చ్), సెల్యులోజ్, ప్రోటీన్లు, DNA, సహజ రబ్బరు.
• కృత్రిమ పాలిమర్లు: ప్లాస్టిక్‌లు, నైలాన్, పాలిస్టర్.
• థర్మోప్లాస్టిక్‌లు (Thermoplastics):
  1. వేడి చేస్తే మెత్తబడతాయి, చల్లారితే గట్టిపడతాయి
  2. మళ్లీ మళ్లీ ఆకారం మార్చవచ్చు.
• పాలిథీన్ (కవర్లు, సీసాలు), PVC (పైపులు, వైర్ కవచం), పాలిస్టైరిన్ (థర్మకోల్), PET (నీటి సీసాలు).
• టెఫ్లాన్ (PTFE): నాన్‌స్టిక్ పాత్రల పూత.
• థర్మోసెట్టింగ్ ప్లాస్టిక్‌లు (Thermosetting): ఒకసారి గట్టిపడితే మళ్లీ వేడి చేసినా మెత్తబడవు.
• బేకలైట్:
  1. మొదటి కృత్రిమ ప్లాస్టిక్ (బేక్‌లాండ్, 1907)
  2. స్విచ్‌లు, ప్లగ్గులు, పాత్రల హ్యాండిళ్లు.
• మెలమైన్: వంటగది సామాన్లు, అగ్ని నిరోధక పూతలు.
• సమస్యలు: ప్లాస్టిక్‌లు క్షీణించవు (Non-biodegradable) – పర్యావరణ కాలుష్యం. అందుకే వాడకం తగ్గించాలి, రీసైకిల్ చేయాలి.
• ప్లాస్టిక్ సంఖ్యలు: ఉత్పత్తులపై 1–7 సంఖ్యలతో ప్లాస్టిక్ రకాన్ని సూచిస్తారు.

దుస్తుల కోసం వాడే నారలు సహజమైనవి, కృత్రిమమైనవి అని రెండు రకాలు. అలాగే రబ్బరు కూడా సహజ, కృత్రిమ రూపాల్లో లభిస్తుంది.

• సహజ నారలు: పత్తి (సెల్యులోజ్), ఉన్ని, పట్టు (ప్రోటీన్), జనపనార.
• కృత్రిమ నారలు:
  1. రేయాన్ (Rayon): సెల్యులోజ్ నుండి తయారయ్యే 'కృత్రిమ పట్టు'; అర్ధ-కృత్రిమ నార.
  2. నైలాన్ (Nylon): మొదటి పూర్తి కృత్రిమ నార (వాలెస్ కరోథర్స్, 1935). బలమైనది, తేలికైనది; పారాచూట్లు, తాళ్లు, బ్రష్ ముళ్లు, మేజోళ్ళు.
  3. పాలిస్టర్ (Terylene/Dacron): ముడతలు పడవు; దుస్తులు, PET సీసాలు.
  4. యాక్రిలిక్: ఉన్నిలా ఉంటుంది; స్వెటర్లు, దుప్పట్లు.
• సహజ రబ్బరు: రబ్బరు చెట్టు (హెవియా) నుండి వచ్చే పాల వంటి ద్రవం (లేటెక్స్) నుండి తయారవుతుంది. ఇది ఐసోప్రీన్ పాలిమర్. భారత్‌లో కేరళలో ఎక్కువగా సాగు.
• వల్కనీకరణ (Vulcanisation):
  1. రబ్బరును సల్ఫర్‌తో వేడి చేస్తే బలంగా, సాగే గుణం ఎక్కువగా మారుతుంది
  2. చార్లెస్ గుడ్‌ఇయర్ కనుగొన్నారు.
• కృత్రిమ రబ్బరు:
  1. నియోప్రీన్, బ్యూనా-S
  2. టైర్లు, పైపులు.
• పరీక్షించే విధానం:
  1. నైలాన్, పాలిస్టర్ మండితే కరుగుతాయి
  2. పత్తి కాగితంలా మండుతుంది
  3. ఉన్ని, పట్టు వెంట్రుక కాలిన వాసన ఇస్తాయి.