Chapter 7 · Section 5Textbook pages 137–140Figs 7.3–7.7

Carbon and Its Allotropes കാർബൺ · രൂപാന്തരങ്ങൾ

A sparkling diamond in a necklace, the grey "lead" of your pencil and the black charcoal in a grill are all made of the same atoms: carbon. How can one element be the hardest natural substance and also soft enough to write with? The answer is in how the atoms are joined. On this page you turn a diamond in 3-D, slide graphite layers, peel off graphene and spin a buckyball.

📖 What you need (pages 1 and 2 of this guide)

A covalent bond is a pair of electrons shared between two atoms (page 1). The number of bonds an atom forms is its valency.
Electricity flows through a solid only if it has electrons that are free to move (metals have many).
Electron configuration: electrons fill shells 2, 8, 8 … from the nucleus outwards.

1. Carbon കാർബൺ

നമുക്കു ചുറ്റുമുള്ള മിക്കവാറും പദാർഥങ്ങളിലും കാർബൺ അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു. അനുദിനം പുതിയ കാർബൺ സംയുക്തങ്ങൾ കണ്ടുപിടിക്കപ്പെടുകയോ നിർമ്മിക്കപ്പെടുകയോ ചെയ്യുന്നുണ്ട്. പ്രകൃതിയിൽ സ്വതന്ത്രാവസ്ഥയിലും സംയുക്താവസ്ഥയിലും കാർബൺ കാണപ്പെടുന്നു. – Carbon is present in almost all the substances around us: food, wood, cloth, plastics, fuels and our own bodies. New carbon compounds are discovered or made every day. In nature carbon is found both in the free state സ്വതന്ത്രാവസ്ഥ (diamond, graphite, coal) and in the combined state സംയുക്താവസ്ഥ (carbon dioxide, limestone, sugar, petrol …).

Science diary (page 137). പീരിയോഡിക് ടേബിൾ പരിശോധിച്ച് കാർബണിന്റെ സ്ഥാനം, അറ്റോമിക നമ്പർ, ഇലക്ട്രോൺ വിന്യാസം എന്നിവ കണ്ടെത്തി സയൻസ് ഡയറിയിൽ രേഖപ്പെടുത്തുക. Look at the periodic table and record the position, atomic number and electron configuration of carbon.

Atomic number അറ്റോമിക നമ്പർ
Electron configuration ഇലക്ട്രോൺ വിന്യാസം
Group ഗ്രൂപ്പ്
Period പീരിയഡ്

Carbon (C): atomic number 6; electron configuration 2, 4; group 14, period 2. With 4 electrons in its outer shell, carbon forms 4 covalent bonds – its valency is 4.

2. Allotropes of carbon കാർബണിന്റെ രൂപാന്തരങ്ങൾ

കരി, കൽക്കരി, വജ്രം എന്നിവ നിങ്ങൾക്ക് പരിചിതമായ വസ്തുക്കളാണല്ലോ. ഇവയെല്ലാം ഗുണങ്ങളിൽ വ്യത്യസ്തവുമാണ്. എന്നാൽ കാർബൺ എന്ന മൂലകത്തിന്റെ വിവിധ രൂപങ്ങളാണിവ എന്ന് നിങ്ങൾക്കറിയാമോ? – Charcoal, coal and diamond are familiar things, and their properties are very different. But did you know they are all different forms of the same element, carbon? Burn any of them completely in oxygen and you get only carbon dioxide.

⭐ Allotropes and allotropy (page 137)

വ്യത്യസ്ത ഭൗതിക ഗുണങ്ങളോടുകൂടിയ ഒരു മൂലകത്തിന്റെ തന്നെ വിവിധ രൂപങ്ങളെ രൂപാന്തരങ്ങൾ എന്നും ഈ പ്രതിഭാസത്തെ രൂപാന്തരത്വം (allotropy) എന്നും പറയുന്നു.

Different forms of the same element with different physical properties are called allotropes രൂപാന്തരങ്ങൾ, and this phenomenon is called allotropy രൂപാന്തരത്വം.

കാർബണിന്റെ രൂപാന്തരങ്ങളെ ക്രിസ്റ്റലീയം, അമോർഫസ് എന്നിങ്ങനെ രണ്ടായി തരംതിരിച്ചിരിക്കുന്നു. ചിത്രം 7.3 ൽ കാർബണിന്റെ വിവിധ രൂപാന്തരങ്ങൾ നൽകിയിരിക്കുന്നത് പരിശോധിക്കൂ. The allotropes of carbon are classified into two groups: crystalline ക്രിസ്റ്റലീയ and amorphous അമോർഫസ്. Examine Fig 7.3 – tap any form.

🌳 Fig 7.3 – the allotropes of carbon

3. Crystalline allotropes ക്രിസ്റ്റലീയ രൂപാന്തരങ്ങൾ

ക്രിസ്റ്റലീയ രൂപാന്തരങ്ങൾക്ക് നിശ്ചിത ജ്യാമിതീയ ആകൃതി ഉണ്ടായിരിക്കും. ഇവയുടെ ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനയിൽ, കണങ്ങളെ ക്രമത്തിൽ അടുക്കിയിരിക്കുകയും ഇത് ത്രിമാന തലത്തിൽ ആവർത്തിക്കപ്പെടുകയും ചെയ്യുന്നു. – Crystalline allotropes have a definite geometric shape. In their crystal structure the particles are arranged in order, and this arrangement repeats in three dimensions. Let us meet the crystalline allotropes of carbon.

Diamond വജ്രം (Fig 7.4)

പ്രകൃതിയിൽ കാണപ്പെടുന്ന ഏറ്റവും കാഠിന്യം കൂടിയ പദാർഥമാണ് വജ്രം. വജ്രത്തിന്റെ സവിശേഷതകൾക്ക് കാരണം അതിന്റെ ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനയാണ്. Diamond is the hardest substance found in nature. Its special properties come from its crystal structure. Examine it in 3-D:

💎 Fig 7.4 – the diamond crystal in 3-D (drag to turn)

Turn

Questions on Fig 7.4 (page 138).

1. വജ്രത്തിൽ ഓരോ കാർബൺ ആറ്റവും ചുറ്റുമുള്ള എത്ര കാർബൺ ആറ്റങ്ങളുമായി സഹസംയോജക ബന്ധനത്തിൽ ഏർപ്പെടുന്നു? In diamond, with how many surrounding carbon atoms does each carbon atom form covalent bonds?

2. കാർബണിന്റെ സംയോജകത എത്ര? What is the valency of carbon?

3. വജ്രത്തിൽ സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകളുടെ സാന്നിധ്യം ഉണ്ടോ? Are there free electrons in diamond?

1. Four. 2. 4. 3. No – all four outer electrons of each carbon are used in bonds.

വജ്രത്തിൽ ഓരോ കാർബൺ ആറ്റവും അതിനുചുറ്റുമുള്ള നാല് കാർബൺ ആറ്റങ്ങളുമായി സഹസംയോജക ബന്ധനത്തിൽ ഏർപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു. ഈ ബന്ധനമാണ് വജ്രത്തിന്റെ കാഠിന്യത്തിന് കാരണം. ഈ ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനയിൽ സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകൾ ഇല്ലാത്തതിനാൽ വജ്രം വൈദ്യുതിയെ കടത്തിവിടുന്നില്ല. – In diamond each carbon atom is joined by covalent bonds to four carbon atoms around it. These strong bonds, running in all directions, make diamond so hard. Because there are no free electrons in this structure, diamond does not conduct electricity.

Some special properties of diamond വജ്രത്തിന്റെ സവിശേഷതകൾ

Very high hardness കാഠിന്യം വളരെ കൂടുതലാണ്
Does not conduct electricity വൈദ്യുതിയെ കടത്തിവിടുന്നില്ല
High thermal conductivity ഉയർന്ന താപചാലകത
High refractive index ഉയർന്ന അപവർത്തനാങ്കം – light bends a lot inside it and is reflected back again and again, so a cut diamond sparkles.

Q (page 138). ആഭരണങ്ങൾ നിർമ്മിക്കാനും, ഗ്ലാസ് മുറിക്കാനും വജ്രം ഉപയോഗിക്കുന്നതിന്റെ കാരണം, ഇതിന്റെ സവിശേഷതകൾ പരിശോധിച്ച് കണ്ടെത്തൂ. Why is diamond used to make jewellery and to cut glass? Find out from its properties.

Jewellery: its high refractive index makes a cut diamond sparkle brilliantly, and its hardness means it does not get scratched. Glass cutting: it is the hardest natural substance, so its edge can scratch and cut glass (and drill rock) without wearing away.

Graphite ഗ്രാഫൈറ്റ് (Fig 7.5)

കാർബണിന്റെ മറ്റൊരു ക്രിസ്റ്റലീയ രൂപാന്തരമാണ് ഗ്രാഫൈറ്റ്. ചിത്രം 7.5 ൽ കൊടുത്തിരിക്കുന്ന ഗ്രാഫൈറ്റിന്റെ ഘടന പരിശോധിക്കൂ. Graphite is another crystalline allotrope of carbon. Examine its structure:

✏️ Fig 7.5 – graphite: layers that slide, electrons that flow

Slide the top layer

Questions on Fig 7.5 (pages 138–139).

1. ഗ്രാഫൈറ്റിൽ ഓരോ കാർബൺ ആറ്റവും ചുറ്റുമുള്ള എത്ര കാർബൺ ആറ്റങ്ങളുമായി സഹസംയോജക ബന്ധനത്തിൽ ഏർപ്പെടുന്നു? In graphite, with how many surrounding carbon atoms does each carbon form covalent bonds?

2. ഗ്രാഫൈറ്റിലെ ഓരോ കാർബൺ ആറ്റത്തിലെയും സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണം എത്ര? How many free electrons does each carbon atom in graphite have?

3. ഗ്രാഫൈറ്റ് വൈദ്യുതി കടത്തി വിടാനുള്ള കാരണം എന്ത്? Why does graphite conduct electricity?

Each carbon in graphite uses only three of its four outer electrons in bonds, so one electron per carbon is free. These free electrons can move along the layers and carry the current – press "Connect a battery" to see them drift.

ഗ്രാഫൈറ്റിൽ ഓരോ കാർബണും ചുറ്റുമുള്ള മൂന്ന് കാർബൺ ആറ്റങ്ങളുമായി സഹസംയോജക ബന്ധനത്തിൽ ഏർപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു. – In graphite each carbon is bonded covalently to three carbon atoms around it.

ചിത്രത്തിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ പാളികൾ ഒന്നിനുമീതെ ഒന്നായി അടുക്കിവച്ചിരിക്കുന്ന തരത്തിലാണ് ഗ്രാഫൈറ്റിന്റെ ഘടന. ഗ്രാഫൈറ്റിൽ പാളികൾക്കിടയിൽ സഹസംയോജക ബന്ധനം ഇല്ല. ദുർബലമായ ആകർഷണ ബലമാണ് ഉള്ളത്. അതിനാൽ പാളികൾക്ക് പരസ്പരം തെന്നിമാറാൻ കഴിയും. അതിനാൽ ഗ്രാഫൈറ്റ് സ്നേഹകമായി (lubricant) ഉപയോഗിക്കുന്നു. – Graphite is made of layers stacked one above another. There are no covalent bonds between the layers, only weak forces of attraction. So the layers can slide over each other, and graphite is used as a lubricant സ്നേഹകം.

💡 Conductivity tester – graphite or diamond?

Sample in the gap

Graphene ഗ്രഫീൻ (Fig 7.6)

ദ്വിമാന ഷഡ്ഭുജ ആകൃതിയിലുള്ള കാർബൺ വലയങ്ങൾ ചേർന്ന പാളികളാണ് ഗ്രഫീൻ. ഗ്രാഫൈറ്റിന്റെ ഒരു പാളിക്ക് സമാനമാണ് ഗ്രഫീൻ (ചിത്രം 7.6). – Graphene is a sheet made of two-dimensional hexagonal rings of carbon atoms. Graphene is the same as one layer of graphite – just one atom thick.

🕸️ Fig 7.6 – peel one layer off graphite

Special properties of graphene ഗ്രഫീനിന്റെ സവിശേഷതകൾ

സ്റ്റീലിന്റെ ഇരുനൂറിലൊന്ന് ഭാരവും അലുമിനിയത്തിന്റെ അഞ്ചിലൊന്ന് ഭാരവുംAbout 1/200 the weight of steel and 1/5 the weight of aluminium (as given in the textbook).
High electrical conductivity ഉയർന്ന വൈദ്യുതചാലകത
High thermal conductivity ഉയർന്ന താപചാലകത

നാനോടെക്നോളജി (Nanotechnology) രംഗത്ത് വൻ വിപ്ലവം ഉണ്ടാക്കാൻ കഴിയുന്ന പദാർഥമായി ഗ്രഫീൻ ഇതിനകം മാറിയിട്ടുണ്ട്. Graphene has already become a material that can bring a big revolution in nanotechnology നാനോടെക്നോളജി.

🔭 Go further – a note on the numbers

Graphene is so thin that a sheet of it is astonishingly light. Science books often add that, for the same thickness, graphene is about 200 times stronger than steel. The textbook's "1/200 of the weight of steel" is about this lightness. In the exam, quote the textbook's words. Graphene was first separated in 2004 by peeling graphite with sticky tape – the scientists won the Nobel Prize in 2010.

Fullerene ഫുള്ളറീൻ (Fig 7.7)

കാർബണിന്റെ മറ്റൊരു രൂപാന്തരമായ ഫുള്ളറീന്റെ ഘടന നൽകിയിരിക്കുന്നത് പരിശോധിക്കൂ (ചിത്രം 7.7). പഞ്ചഭുജ ആകൃതിയിലും ഷഡ്ഭുജ ആകൃതിയിലുമുള്ള വലയങ്ങൾ ചേർന്ന പൊള്ളയായ ഗോളീയരൂപമാണ് ഫുള്ളറീനുകൾക്കുള്ളത്. ഇവ ബക്കിബോൾസ് (Buckyballs) എന്നു വിളിക്കപ്പെടുന്നു. – Fullerenes have a hollow, ball-like shape made of pentagonal and hexagonal rings of carbon atoms. They are called buckyballs ബക്കിബോൾസ്.

സിലിണ്ടർ ആകൃതിയുള്ള ഫുള്ളറീനുകളാണ് കാർബൺ നാനോട്യൂബുകളായി ഉപയോഗിക്കുന്നത്. ഇവയെ ബക്കിട്യൂബ്സ് (Buckytubes) എന്നു വിളിക്കുന്നു. വിവരവിനിമയ സാങ്കേതികവിദ്യയിൽ വിപ്ലവം സൃഷ്ടിക്കാൻ ഇവയ്ക്ക് കഴിഞ്ഞിട്ടുണ്ട്. – Cylinder-shaped fullerenes are used as carbon nanotubes; they are called buckytubes ബക്കിട്യൂബ്സ്. They have brought a revolution in information and communication technology.

⚽ Fig 7.7 – buckyball and buckytube in 3-D (drag to turn)

Model Turn

🔭 Go further

The C₆₀ molecule was discovered in 1985 by Harold Kroto, Robert Curl and Richard Smalley (Nobel Prize, 1996). It is named after the architect Buckminster Fuller, whose dome-shaped buildings are made of the same pattern of pentagons and hexagons – the pattern of a football.

4. Amorphous allotropes അമോർഫസ് രൂപാന്തരങ്ങൾ

നിയതമായ ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനയില്ലാത്ത ഖരപദാർഥങ്ങളാണ് അമോർഫസ് രൂപാന്തരങ്ങൾ. ചാർക്കോൾ, കോക്ക്, വിളക്കുകരി, കൽക്കരി എന്നിവ കാർബണിന്റെ വ്യത്യസ്ത അമോർഫസ് രൂപാന്തരങ്ങളാണ്. – Amorphous allotropes are solids without a definite crystal structure. Charcoal, coke, lamp black and coal are the different amorphous allotropes of carbon.

⚫ Charcoal ചാർക്കോൾ

Made by heating wood with very little air. A fuel; its porous surface traps impurities, so it is used in water filters.

🪨 Coke കോക്ക്

Made by strongly heating coal without air. A smokeless fuel, and a reducing agent for getting iron from its ore.

🪔 Lamp black വിളക്കുകരി

The soot of a smoky oil flame – the black of traditional kanmashi. Used in printing ink, black paint and rubber tyres.

⛏️ Coal കൽക്കരി

A fossil fuel formed from plants buried for millions of years. Burnt in thermal power stations; used to make coke.

The uses on these cards are extra information – the textbook only names the four amorphous forms.

⚠️ Never burn charcoal or coal in a closed room (for warmth or cooking): with too little air it forms carbon monoxide, a poisonous gas with no colour or smell (page 6).

5. Uses of graphite and its properties (page 140)

? ഗ്രാഫൈറ്റിന്റെ ഏതാനും ഉപയോഗങ്ങൾ കൊടുത്തിരിക്കുന്നു. ഇതിന് സഹായകമായ സവിശേഷതകൾ കണ്ടെത്തി എഴുതുക. Some uses of graphite are given. Find and write the property that makes each use possible.

a. ഡ്രൈസെല്ലിൽ ഇലക്ട്രോഡായി As an electrode in dry cells

b. പെൻസിൽ ലെഡ് നിർമ്മിക്കാൻ To make pencil lead

c. സ്നേഹകമായി As a lubricant

a. Electrode in dry cells – graphite conducts electricity (each carbon has one free electron). b. Pencil lead – graphite is soft and dark; its layers rub off on paper and leave a mark. c. Lubricant – the layers slide over each other because only weak forces hold them together.

6. Diamond and graphite compared

? ഗ്രാഫൈറ്റിന്റെയും വജ്രത്തിന്റെയും സവിശേഷതകൾ പട്ടികപ്പെടുത്തി താരതമ്യം ചെയ്യുക. List and compare the properties of graphite and diamond. Choose from each drop-down, then check.

Property	Diamond വജ്രം	Graphite ഗ്രാഫൈറ്റ്

Property	Diamond വജ്രം	Graphite ഗ്രാഫൈറ്റ്
Bonds on each carbon	4 (to four other carbons)	3 (to three carbons in the same layer)
Free electrons	none	one per carbon atom
Structure	3-D network – bonds in all directions	flat hexagonal layers stacked on one another, held by weak forces
Hardness	hardest natural substance	soft and slippery
Electrical conductivity	does not conduct	conducts
Appearance	transparent, sparkling (high refractive index)	grey-black, opaque, slightly shiny
Uses	jewellery, cutting glass	dry-cell electrodes, pencil lead, lubricant

⚠️ Common mistakes

"Diamond conducts electricity because it is carbon" ✗ – diamond has no free electrons. Graphite does conduct.
"In graphite each carbon makes 4 bonds" ✗ – it makes 3; the fourth electron is free.
Calling charcoal or coal crystalline ✗ – they are amorphous. Fullerene and graphene are crystalline (Fig 7.3).
"Graphite is a lubricant because it conducts" ✗ – it is a lubricant because its layers slide.
Calling ozone (O₃) an allotrope of carbon ✗ – ozone is an allotrope of oxygen (page 8).

🌐 Explore online needs internet · opens in a new tab

📄 Allotropes of carbon Wikipedia
Diamond, graphite, graphene, fullerenes and amorphous carbon.
📄 Diamond Wikipedia
The hardest natural substance – each carbon bonded to four others.
📄 Graphite Wikipedia
Layers that slide, free electrons that conduct.
📄 Graphene Wikipedia
A single layer of graphite – light, strong and conducting.
📄 Fullerene Wikipedia
Buckyballs and buckytubes (carbon nanotubes).
📄 Carbon nanotube Wikipedia
Cylinder-shaped fullerenes used in nanotechnology.

7. Check yourself

🧭 Summary

Carbon: Z = 6, configuration 2, 4, group 14, period 2, valency 4. Found free and combined.
Allotropes രൂപാന്തരങ്ങൾ = forms of the same element with different physical properties; the phenomenon = allotropy.
Fig 7.3 – crystalline: diamond, graphite, fullerene, graphene · amorphous: charcoal, coke, lamp black, coal.
Diamond: each C bonded to 4; no free electrons → hardest natural substance, non-conductor, high thermal conductivity, high refractive index → jewellery, glass cutting.
Graphite: each C bonded to 3; one free electron each → conducts; layers held by weak forces slide → lubricant; also dry-cell electrode and pencil lead.
Graphene: one graphite layer of hexagonal rings; very light; high electrical and thermal conductivity; nanotechnology. Fullerene: hollow balls of pentagons and hexagons (buckyballs); cylinders = buckytubes (carbon nanotubes).

Next: CO₂, CO, carbonates and bicarbonates ▶