TNPSC Daily Notes: Carbon and its Compounds — Allotropes, Hydrocarbons & Functional Groups | கார்பனும் அதன் சேர்மங்களும் — 03 October 2026

Carbon is the element that organic chemistry is built on, and the reason is simple arithmetic. Its atomic number is 6, so its electrons are arranged 2,4. Four electrons short of a stable octet, carbon would have to gain or lose four electrons to become an ion, and both routes demand far more energy than the atom can supply. It therefore shares instead, forming four covalent bonds. This tetravalency is the first half of the story; the second half is catenation, the unusual ability of carbon atoms to bond to each other in chains, branches and closed rings of almost any length. Taken together these two properties explain why more than ten million carbon compounds have been catalogued, outnumbering the known compounds of every other element combined. Because the bonding is covalent rather than ionic, carbon compounds generally melt and boil at low temperatures and conduct electricity poorly, since no free ions or mobile electrons are available to carry charge.

The same element produces startlingly different materials depending on how the atoms are packed, and these different physical forms are called allotropes. The crystalline allotropes are diamond, graphite, fullerene, graphene and carbon nanotubes; the amorphous forms include coal, charcoal, coke and lamp black. In diamond every carbon is sp³ hybridised and bonded tetrahedrally to four neighbours, producing a rigid three-dimensional lattice in which each outer electron is locked into a bond. That rigidity makes diamond the hardest naturally occurring mineral, a 10 on the Mohs scale and an excellent abrasive, while the absence of mobile electrons makes it an electrical insulator. Graphite is the opposite in almost every respect. Each carbon is sp² hybridised and bonds to only three neighbours within flat hexagonal sheets, leaving the fourth electron delocalised across the layer. Those free electrons let graphite conduct electricity along its planes, and the weakly held sheets slide over one another, which is why graphite works as a dry lubricant and as the writing core of a pencil. Remembering that both substances are nothing but pure carbon, differing only in arrangement, answers a large share of the questions set on this chapter.

Three newer allotropes complete the picture. Fullerene C₆₀, christened buckminsterfullerene after the architect Buckminster Fuller, was discovered in 1985 by Harold Kroto, Robert Curl and Richard Smalley, who shared the 1996 Nobel Prize in Chemistry for it. The molecule is a closed cage shaped like a truncated icosahedron, built from twenty hexagonal and twelve pentagonal faces, which is exactly the stitching pattern of a football. Graphene is a single sheet of graphite one atom thick; Andre Geim and Konstantin Novoselov isolated it and received the 2010 Nobel Prize in Physics. Roll a graphene sheet into a cylinder and the result is a carbon nanotube, remarkable for its tensile strength and its ability to conduct heat. These three are favourites with examiners because each carries a datable discovery and a named prize.

Compounds of carbon and hydrogen alone are hydrocarbons, and they divide neatly by the kind of bond they contain. Alkanes are saturated, carrying only single bonds, with the general formula C_nH_2n+2; methane CH₄ and ethane C₂H₆ are the first two. Alkenes contain one carbon-to-carbon double bond and follow C_nH_2n, beginning with ethene C₂H₄. Alkynes contain a triple bond and follow C_nH_2n−2, beginning with ethyne C₂H₂, the gas sold as acetylene whose oxygen flame cuts and welds steel. Saturated hydrocarbons burn with a clean blue flame, whereas unsaturated ones burn with a yellow sooty flame because the higher proportion of carbon does not oxidise completely — a distinction worth memorising.

Organic compounds are organised into homologous series. Within a series, consecutive members differ by a single −CH₂− unit, a mass difference of 14 units, and all members carry the same functional group. The consequence is that chemical properties stay essentially constant down a series while physical properties such as boiling point and density change smoothly with chain length, so knowing one member lets you predict the rest. The functional group itself is the reactive site: −OH makes an alcohol, −CHO an aldehyde, >C=O a ketone, −COOH a carboxylic acid, and a halogen atom makes a haloalkane. Naming combines the carbon count with the group suffix, so three carbons plus −OH gives propanol and two carbons plus −COOH gives ethanoic acid.

Two compounds appear in examinations more often than all the others. Ethanol, C₂H₅OH, is the alcohol of alcoholic drinks, a widely used antiseptic and an increasingly common fuel additive; it is a liquid at room temperature and is neutral to litmus. Ethanoic acid, CH₃COOH, is familiar as vinegar when diluted to between five and eight per cent. In its pure state it freezes at about 16.6°C, so in a cool laboratory it solidifies into ice-like crystals, and from that appearance it takes the name glacial acetic acid. Heating a carboxylic acid with an alcohol in the presence of a little concentrated sulphuric acid gives an ester, a sweet-smelling liquid used in perfumes and artificial flavours. Running the reaction in reverse by boiling an ester or a natural fat with sodium hydroxide is called saponification, and it produces soap along with glycerol.

That last reaction leads straight into the chemistry of cleaning. Soaps are the sodium or potassium salts of long-chain fatty acids. Every soap molecule has two ends: a long hydrocarbon tail that dissolves in oil and an ionic head that dissolves in water. Dropped into greasy water, the molecules arrange themselves into spherical clusters called micelles, tails buried in the oil droplet and heads facing outward, so the grease is lifted away and rinsed off. Soap has one well-known weakness. In hard water, which is rich in calcium and magnesium ions, it reacts to form an insoluble precipitate called scum, wasting the soap and leaving deposits on cloth. Detergents solve this: being ammonium or sulphonate salts, their calcium and magnesium compounds stay soluble, so they lather and clean even in hard water.

Two simple oxides of carbon deserve separate attention. Carbon monoxide is colourless and odourless, which is exactly what makes it dangerous, and it binds to haemoglobin far more strongly than oxygen, blocking the blood from carrying oxygen. It forms wherever carbon fuels burn with an inadequate air supply. Carbon dioxide, formed in complete combustion and in respiration, is the gas plants use in photosynthesis and the best known greenhouse gas. Cooled and compressed it becomes solid dry ice, which sublimes directly from solid to gas without wetting anything, and is therefore used to keep food and medicines cold and to produce stage fog.

Tamil Nadu supplies the regional anchor for this chapter. Neyveli, in Cuddalore district, sits on one of India’s largest deposits of lignite, the soft brown coal that is an amorphous form of carbon. The deposit was traced to an accident in 1934, when a brown substance came up with the water from an artesian well on a local farm; surveys that followed revealed reserves running to around two thousand million tonnes. NLC India Limited was formed in 1956 to work them and today mines lignite by the opencast method and runs thermal power stations on the site, operating as a central public sector undertaking under the Ministry of Coal. Candidates should be able to place Neyveli in Cuddalore district and link it to lignite rather than to anthracite or bituminous coal.

கரிம வேதியியல் முழுவதும் கார்பனை அடிப்படையாகக் கொண்டது; அதற்குக் காரணம் எளிய கணக்குதான். கார்பனின் அணு எண் 6; எலக்ட்ரான் அமைப்பு 2,4. நிலையான எண்ணிரண்டு அமைப்புக்கு நான்கு எலக்ட்ரான்கள் குறைவாக இருப்பதால், அயனியாக மாற நான்கு எலக்ட்ரான்களை இழக்கவோ பெறவோ வேண்டும்; இரு வழிகளுமே அணுவால் தர முடியாத அளவுக்கு அதிக ஆற்றலைக் கோருகின்றன. எனவே கார்பன் பகிர்ந்து கொண்டு நான்கு சகப் பிணைப்புகளை உருவாக்குகிறது. இந்த நான்கு இணைதிறன் கதையின் முதல் பாதி; இரண்டாம் பாதி கேட்டினேஷன் — கார்பன் அணுக்கள் ஒன்றோடொன்று எந்த நீளத்திலும் சங்கிலிகளாகவும், கிளைகளாகவும், மூடிய வளையங்களாகவும் பிணையும் அரிய திறன். இவ்விரு பண்புகளும் சேர்ந்ததால்தான் ஒரு கோடிக்கும் மேற்பட்ட கார்பன் சேர்மங்கள் பட்டியலிடப்பட்டுள்ளன; மற்ற அனைத்துத் தனிமங்களின் அறியப்பட்ட சேர்மங்களைச் சேர்த்தாலும் இதைவிடக் குறைவே. பிணைப்பு அயனிப் பிணைப்பாக இல்லாமல் சகப் பிணைப்பாக இருப்பதால், கார்பன் சேர்மங்கள் பொதுவாகக் குறைந்த வெப்பநிலையில் உருகி, கொதிக்கின்றன; மின்னூட்டத்தைச் சுமக்க கட்டற்ற அயனிகளோ நகரும் எலக்ட்ரான்களோ இல்லாததால் மின்சாரத்தை நன்கு கடத்துவதில்லை.

அணுக்கள் எவ்வாறு அடுக்கப்படுகின்றன என்பதைப் பொறுத்து ஒரே தனிமம் வியக்கத்தக்க வகையில் வேறுபட்ட பொருள்களைத் தருகிறது; இந்த வெவ்வேறு இயற் வடிவங்களே உருமாற்றங்கள். படிக உருமாற்றங்கள் வைரம், கிராஃபைட், ஃபுல்லரீன், கிராஃபீன், கார்பன் நானோகுழாய்கள்; படிகமற்ற வடிவங்களில் நிலக்கரி, கரி, கோக், விளக்குக் கரி ஆகியவை அடங்கும். வைரத்தில் ஒவ்வொரு கார்பனும் sp³ கலப்பினமாகி நான்கு அண்டை அணுக்களுடன் நான்முகி வடிவில் பிணைந்து விறைப்பான முப்பரிமாணப் படிகக் கட்டமைப்பை உருவாக்குகிறது; ஒவ்வொரு வெளி எலக்ட்ரானும் ஒரு பிணைப்பில் அடைபட்டிருக்கிறது. இந்த விறைப்பே வைரத்தை இயற்கையில் மிகக் கடினமான கனிமமாக்குகிறது — மோ அளவில் 10, சிறந்த சாணைப் பொருள்; நகரும் எலக்ட்ரான்கள் இல்லாததால் இது மின்கடத்தா பொருள். கிராஃபைட் ஏறத்தாழ எல்லா வகையிலும் இதற்கு எதிரானது. ஒவ்வொரு கார்பனும் sp² கலப்பினமாகி தட்டையான அறுகோணத் தாள்களுக்குள் மூன்று அண்டை அணுக்களுடன் மட்டுமே பிணைகிறது; நான்காவது எலக்ட்ரான் அடுக்கு முழுவதும் கட்டற்று பரவுகிறது. அந்தக் கட்டற்ற எலக்ட்ரான்கள் கிராஃபைட்டை அதன் தளங்களில் மின்சாரம் கடத்த வைக்கின்றன; வலுவற்ற தாள்கள் ஒன்றின்மேல் ஒன்று நழுவுவதால் கிராஃபைட் உலர் மசகாகவும் பென்சில் முனையாகவும் செயல்படுகிறது. இரு பொருள்களுமே தூய கார்பன்தான், அமைப்பில் மட்டுமே வேறுபடுகின்றன என்பதை நினைவில் வைத்தால் இப்பாடத்தின் பெரும்பாலான வினாக்களுக்கு விடை கிடைத்துவிடும்.

புதிய மூன்று உருமாற்றங்கள் படத்தை நிறைவு செய்கின்றன. கட்டிடக் கலைஞர் பக்மின்ஸ்டர் ஃபுல்லரின் பெயரால் பக்மின்ஸ்டர்ஃபுல்லரீன் என அழைக்கப்படும் ஃபுல்லரீன் C₆₀-ஐ 1985-இல் ஹெரால்டு க்ரோட்டோ, ராபர்ட் கர்ல், ரிச்சர்ட் ஸ்மாலி ஆகியோர் கண்டுபிடித்தனர்; இதற்காக 1996-ஆம் ஆண்டு வேதியியல் நோபல் பரிசைப் பகிர்ந்து கொண்டனர். இம்மூலக்கூறு இருபது அறுகோண முகங்களும் பன்னிரண்டு ஐங்கோண முகங்களும் கொண்ட வெட்டப்பட்ட இருபதுமுகி வடிவிலான மூடிய கூண்டு; இது சரியாகக் கால்பந்தின் தையல் அமைப்புதான். கிராஃபீன் என்பது ஒரு அணு தடிமன் கொண்ட கிராஃபைட்டின் ஒற்றைத் தாள்; ஆண்ட்ரே கெய்மும் கான்ஸ்டான்டின் நோவோசெலோவும் இதைத் தனிமைப்படுத்தி 2010-ஆம் ஆண்டு இயற்பியல் நோபல் பரிசைப் பெற்றனர். கிராஃபீன் தாளை உருளையாகச் சுருட்டினால் கிடைப்பது கார்பன் நானோகுழாய்; இதன் இழுவிசை வலிமையும் வெப்பக் கடத்துத் திறனும் குறிப்பிடத்தக்கவை. ஒவ்வொன்றுக்கும் குறிப்பிட்ட கண்டுபிடிப்பு ஆண்டும் பெயர் சொல்லப்பட்ட பரிசும் இருப்பதால் தேர்வாளர்களுக்கு இம்மூன்றும் மிகவும் பிடித்தவை.

கார்பனையும் ஹைட்ரஜனையும் மட்டுமே கொண்ட சேர்மங்களே ஹைட்ரோகார்பன்கள்; அவை கொண்டுள்ள பிணைப்பு வகையைப் பொறுத்து நேர்த்தியாகப் பிரிகின்றன. ஆல்கேன்கள் நிறைவுற்றவை, ஒற்றைப் பிணைப்புகளை மட்டுமே கொண்டவை; பொது வாய்பாடு C_nH_2n+2; மீத்தேன் CH₄, ஈத்தேன் C₂H₆ முதல் இரண்டு. ஆல்கீன்கள் ஒரு கார்பன்–கார்பன் இரட்டைப் பிணைப்பைக் கொண்டவை, வாய்பாடு C_nH_2n; ஈத்தீன் C₂H₄-இல் தொடங்குகின்றன. ஆல்கைன்கள் முப்பிணைப்பைக் கொண்டவை, வாய்பாடு C_nH_2n−2; ஈத்தைன் C₂H₂-இல் தொடங்குகின்றன — அசிட்டிலீன் என்ற பெயரில் விற்கப்படும் இந்த வாயுவின் ஆக்சிஜன் சுடரே எஃகை வெட்டவும் வெல்டிங் செய்யவும் பயன்படுகிறது. நிறைவுற்ற ஹைட்ரோகார்பன்கள் தெளிவான நீலச் சுடருடன் எரிகின்றன; நிறைவுறாதவை கார்பன் விகிதம் அதிகமாக இருப்பதால் முழுமையாக ஆக்சிஜனேற்றம் அடையாமல் மஞ்சள் நிறப் புகைச் சுடருடன் எரிகின்றன — இந்த வேறுபாட்டை மனப்பாடம் செய்வது பயனுள்ளது.

கரிமச் சேர்மங்கள் ஒத்தக் கூட்டுத் தொடர்களாக ஒழுங்கமைக்கப்படுகின்றன. ஒரு தொடருக்குள் அடுத்தடுத்த உறுப்பினர்கள் ஒரு −CH₂− அலகு, அதாவது 14 அலகு நிறை வித்தியாசப்படுகின்றன; அனைத்து உறுப்பினர்களும் ஒரே வினைச் செயல் தொகுதியைக் கொண்டிருக்கின்றன. இதன் விளைவாக ஒரு தொடரில் கீழ்நோக்கிச் செல்லும்போது வேதியியல் பண்புகள் ஏறத்தாழ மாறாமல் இருக்கும்; கொதிநிலை, அடர்த்தி போன்ற இயற்பண்புகள் சங்கிலி நீளத்துக்கு ஏற்பப் படிப்படியாக மாறும். எனவே ஒரு உறுப்பினரை அறிந்தால் மற்றவற்றை ஊகிக்க முடியும். வினைச் செயல் தொகுதியே வினைபுரியும் இடம்: −OH ஆல்கஹாலையும், −CHO ஆல்டிஹைடையும், >C=O கீட்டோனையும், −COOH கார்பாக்சிலிக் அமிலத்தையும் உருவாக்குகிறது; ஒரு ஹாலஜன் அணு ஹாலோஆல்கேனைத் தருகிறது. கார்பன் எண்ணிக்கையுடன் தொகுதியின் விகுதியைச் சேர்த்துப் பெயரிடப்படுகிறது; எனவே மூன்று கார்பனுடன் −OH சேர்ந்தால் புரொப்பனால், இரண்டு கார்பனுடன் −COOH சேர்ந்தால் எத்தனாயிக் அமிலம்.

மற்ற அனைத்தையும்விட இரு சேர்மங்கள் தேர்வுகளில் அடிக்கடி இடம்பெறுகின்றன. எத்தனால் C₂H₅OH மதுபானங்களில் உள்ள ஆல்கஹால்; பரவலாகப் பயன்படும் கிருமி நாசினி; எரிபொருள் சேர்க்கையாகவும் அதிகரித்து வருகிறது. இது அறை வெப்பநிலையில் திரவம்; லிட்மஸுக்கு நடுநிலையானது. எத்தனாயிக் அமிலம் CH₃COOH ஐந்து முதல் எட்டு சதவீதம் வரை நீர்த்தப்படும்போது வினிகர் என அறியப்படுகிறது. தூய நிலையில் இது ஏறத்தாழ 16.6°C-இல் உறைவதால், குளிர்ந்த ஆய்வகத்தில் பனிக்கட்டி போன்ற படிகங்களாகத் திடமாகிறது; அந்தத் தோற்றத்திலிருந்தே பனிக்கட்டி அசிட்டிக் அமிலம் என்ற பெயர் வந்தது. சிறிதளவு செறிவான கந்தக அமிலம் முன்னிலையில் கார்பாக்சிலிக் அமிலத்தை ஆல்கஹாலுடன் சூடுபடுத்தினால் எஸ்தர் கிடைக்கிறது; இது வாசனைத் திரவியங்களிலும் செயற்கைச் சுவையூட்டிகளிலும் பயன்படும் இனிய மணமுள்ள திரவம். எஸ்தரையோ இயற்கைக் கொழுப்பையோ சோடியம் ஹைட்ராக்சைடுடன் கொதிக்க வைத்து இந்த வினையை எதிர்த்திசையில் நடத்துவது சோப்பாக்கல் எனப்படுகிறது; இதில் சோப்புடன் கிளிசரால்ும் கிடைக்கிறது.

இந்த இறுதி வினை நேராகச் சுத்தம் செய்தலின் வேதியியலுக்கு அழைத்துச் செல்கிறது. சோப்புகள் நீள் சங்கிலி கொழுப்பு அமிலங்களின் சோடியம் அல்லது பொட்டாசியம் உப்புகள். ஒவ்வொரு சோப்பு மூலக்கூறுக்கும் இரு முனைகள்: எண்ணெயில் கரையும் நீண்ட ஹைட்ரோகார்பன் வால், நீரில் கரையும் அயனித் தலை. எண்ணெய் கலந்த நீரில் இடப்படும்போது மூலக்கூறுகள் மைசெல் எனப்படும் கோள வடிவக் கொத்துகளாக அமைந்து கொள்கின்றன; வால்கள் எண்ணெய்த் துளிக்குள் புதைந்தும், தலைகள் வெளிப்புறம் திரும்பியும் இருக்கும். இதனால் எண்ணெய் அகற்றப்பட்டு நீரால் கழுவப்படுகிறது. சோப்புக்கு ஒரு நன்கு அறியப்பட்ட பலவீனம் உண்டு. கால்சியம், மெக்னீசியம் அயனிகள் நிறைந்த கடின நீரில் அது வினைபுரிந்து வண்டல் எனப்படும் கரையாத படிவை உருவாக்குகிறது; சோப்பு வீணாகிறது, துணியிலும் படிவு தங்குகிறது. சவர்க்காரங்கள் இதைத் தீர்க்கின்றன: அவை அமோனியம் அல்லது சல்ஃபோனேட் உப்புகள் என்பதால் அவற்றின் கால்சியம், மெக்னீசியம் சேர்மங்கள் கரைந்தே இருக்கும்; எனவே கடின நீரிலும் நுரைத்துச் சுத்தம் செய்கின்றன.

கார்பனின் இரு எளிய ஆக்சைடுகள் தனிக் கவனத்துக்கு உரியவை. கார்பன் மோனாக்சைடு நிறமற்றதும் மணமற்றதும் ஆகும்; அதுவே அதை ஆபத்தானதாக்குகிறது. ஆக்சிஜனைவிட மிக வலுவாக ஹீமோகுளோபினுடன் இணைந்து, இரத்தம் ஆக்சிஜனைக் கொண்டு செல்வதைத் தடுக்கிறது. காற்று போதுமான அளவு கிடைக்காமல் கார்பன் எரிபொருள்கள் எரியும் இடங்களில் எல்லாம் இது உருவாகிறது. முழுமையான எரிதலிலும் சுவாசத்திலும் உருவாகும் கார்பன் டை ஆக்சைடு, தாவரங்கள் ஒளிச்சேர்க்கையில் பயன்படுத்தும் வாயு; மிகவும் அறியப்பட்ட பசுமைக்குடில் வாயுவும் இதுவே. குளிர்வித்து அழுத்தினால் இது உலர் பனிக்கட்டியாகத் திடமாகிறது; திடத்திலிருந்து நேரடியாக வாயுவாகப் பதங்கமாகி எதையும் ஈரமாக்காது. எனவே உணவுப் பொருள்களையும் மருந்துகளையும் குளிரூட்டவும், மேடைப் புகை உருவாக்கவும் இது பயன்படுகிறது.

இப்பாடத்துக்கான பிராந்தியத் தொடர்பைத் தமிழ்நாடு வழங்குகிறது. கடலூர் மாவட்டம் நெய்வேலி, இந்தியாவின் மிகப் பெரிய பழுப்பு நிலக்கரிப் படிவுகளில் ஒன்றின்மேல் அமைந்துள்ளது; படிகமற்ற கார்பன் வடிவமான மென்மையான பழுப்பு நிலக்கரி இது. 1934-ஆம் ஆண்டு ஒரு உள்ளூர்ப் பண்ணையில் இருந்த ஆர்ட்டீசியன் கிணற்றின் நீருடன் பழுப்பு நிறப் பொருள் ஒன்று மேலெழும்பியதே இப்படிவின் தற்செயலான கண்டுபிடிப்பு; அதையடுத்து நடந்த ஆய்வுகள் ஏறத்தாழ இருநூறு கோடி டன் இருப்புகளை வெளிப்படுத்தின. அவற்றைப் பயன்படுத்த 1956-இல் NLC இந்தியா லிமிடெட் தொடங்கப்பட்டது; இன்று திறந்தவெளி முறையில் பழுப்பு நிலக்கரியைத் தோண்டி எடுத்து, அதே தளத்தில் அனல் மின் நிலையங்களையும் இயக்குகிறது; நிலக்கரி அமைச்சகத்தின் கீழ் இயங்கும் மத்திய பொதுத்துறை நிறுவனம் இது. நெய்வேலியைக் கடலூர் மாவட்டத்தில் அடையாளம் கண்டு, ஆந்த்ரசைட் அல்லது பிட்மினஸ் நிலக்கரியுடன் அல்லாமல் பழுப்பு நிலக்கரியுடன் இணைத்துப் பார்ப்பது தேர்வர்களுக்கு அவசியம்.