GS Paper-II • 8 Marks (125 Words)
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Q1. Compare the structural allotropy of Carbon in Diamond, Graphite, and Graphene. Explain how hybridization differences dictate their disparate electrical and mechanical properties.हीरा, ग्रेफाइट एवं ग्राफीन में कार्बन के अपररूपों की संरचनात्मक तुलना कीजिए। समझाइए कि संकरण (Hybridization) में अंतर उनके विद्युत एवं यांत्रिक गुणों को किस प्रकार निर्धारित करता है।
Candidate Self-Practice Areaअभ्यर्थी स्व-अभ्यास क्षेत्र
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Allotropic Structures of Carbon:
• Diamond: Carbon atoms undergo sp3 hybridization, forming four equivalent tetrahedral covalent bonds in an interlocking 3D network. Absence of free electrons makes it an electrical insulator, while rigid directional bonds make it the hardest known natural substance.
• Graphite: Carbon undergoes sp2 hybridization, bonding to three neighboring carbons in 2D planar hexagonal rings. The fourth electron resides in a delocalized π-orbital, granting high electrical conductivity. Weak interlayer Van der Waals forces allow sheets to shear easily, serving as a solid lubricant.
• Graphene: An isolated 2D single layer of sp2-bonded carbon atoms in a honeycomb lattice. It possesses ballistic electron mobility and 200 times the tensile strength of structural steel.
Conclusion: Carbon's versatile orbital hybridization creates materials spanning from extreme hardness and insulation (diamond) to supreme conductivity and flexibility (graphene).कार्बन के अपररूपों की संरचनात्मक तुलना:
• हीरा: इसमें प्रत्येक कार्बन परमाणु sp3 संकरित होकर चार अन्य कार्बनों से दृढ़ त्रिविमीय चतुष्फलकीय जालक बनाता है। कोई मुक्त इलेक्ट्रॉन न होने से यह विद्युत का कुचालक है, तथा प्रबल सहसंयोजी बंधों के कारण प्राकृतिक रूप से सर्वाधिक कठोर है।
• ग्रेफाइट: इसमें कार्बन sp2 संकरित होकर षट्कोणीय समतलीय परतें बनाता है। चौथा संयोजी इलेक्ट्रॉन परतों के मध्य मुक्त विचरण करता है, जिससे यह विद्युत का सुचालक है। परतों के बीच दुर्बल वान्डर वाल्स बल होने से यह मुलायम व चिकना ठोस स्नेहक है।
• ग्राफीन: एक परमाणु मोटी 2D षट्कोणीय जालीदार कार्बन चादर। असाधारण इलेक्ट्रॉन गतिशीलता एवं स्टील से 200 गुना अधिक तन्यता।
निष्कर्ष: sp3 एवं sp2 संकरण का यह मौलिक अंतर कार्बन को अत्यधिक कठोर कुचालक (हीरा) से लेकर अति-चालक व मजबूत नैनो-सामग्री (ग्राफीन) में रूपांतरित करता है।
• Diamond: Carbon atoms undergo sp3 hybridization, forming four equivalent tetrahedral covalent bonds in an interlocking 3D network. Absence of free electrons makes it an electrical insulator, while rigid directional bonds make it the hardest known natural substance.
• Graphite: Carbon undergoes sp2 hybridization, bonding to three neighboring carbons in 2D planar hexagonal rings. The fourth electron resides in a delocalized π-orbital, granting high electrical conductivity. Weak interlayer Van der Waals forces allow sheets to shear easily, serving as a solid lubricant.
• Graphene: An isolated 2D single layer of sp2-bonded carbon atoms in a honeycomb lattice. It possesses ballistic electron mobility and 200 times the tensile strength of structural steel.
Conclusion: Carbon's versatile orbital hybridization creates materials spanning from extreme hardness and insulation (diamond) to supreme conductivity and flexibility (graphene).कार्बन के अपररूपों की संरचनात्मक तुलना:
• हीरा: इसमें प्रत्येक कार्बन परमाणु sp3 संकरित होकर चार अन्य कार्बनों से दृढ़ त्रिविमीय चतुष्फलकीय जालक बनाता है। कोई मुक्त इलेक्ट्रॉन न होने से यह विद्युत का कुचालक है, तथा प्रबल सहसंयोजी बंधों के कारण प्राकृतिक रूप से सर्वाधिक कठोर है।
• ग्रेफाइट: इसमें कार्बन sp2 संकरित होकर षट्कोणीय समतलीय परतें बनाता है। चौथा संयोजी इलेक्ट्रॉन परतों के मध्य मुक्त विचरण करता है, जिससे यह विद्युत का सुचालक है। परतों के बीच दुर्बल वान्डर वाल्स बल होने से यह मुलायम व चिकना ठोस स्नेहक है।
• ग्राफीन: एक परमाणु मोटी 2D षट्कोणीय जालीदार कार्बन चादर। असाधारण इलेक्ट्रॉन गतिशीलता एवं स्टील से 200 गुना अधिक तन्यता।
निष्कर्ष: sp3 एवं sp2 संकरण का यह मौलिक अंतर कार्बन को अत्यधिक कठोर कुचालक (हीरा) से लेकर अति-चालक व मजबूत नैनो-सामग्री (ग्राफीन) में रूपांतरित करता है।