ID#7094 HSC Chemistry 1st CQ (Dhaka 2023)

ক) তড়িৎ ঋণাত্মকতা কাকে বলে।

দুটি ভিন্ন মৌলের পরমাণু সমযোজী বন্ধনে আবদ্ধ হয়ে অণু গঠন করার পর, বন্ধন সৃষ্টিকারী শেয়ারকৃত ইলেকট্রন যুগলকে একটি পরমাণু নিজের নিউক্লিয়াসের দিকে বেশি আকর্ষণ করার আপেক্ষিক ক্ষমতাকে ওই মৌলের তড়িৎ ঋণাত্মকতা বলে।

খ) সাধারণ অবস্থায় $\text{Na}^+$ গঠিত হলেও $\text{Na}^{2+}$ গঠিত হয় না কেন? ব্যাখ্যা করো।

সোডিয়ামের ($\text{Na}$) পারমাণবিক সংখ্যা $11$। এর স্বাভাবিক ইলেকট্রন বিন্যাস হলো:
$\text{Na} (11) \rightarrow 1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$

সোডিয়াম পরমাণু তার সর্ববহিঃস্থ স্তরের একমাত্র $3s^1$ ইলেকট্রনটি সহজে বর্জন করে একক ধনাত্মক আধানযুক্ত $\text{Na}^+$ আয়ন গঠন করে। $\text{Na}^+$ এর ইলেকট্রন বিন্যাস লক্ষ্য করি:
$\text{Na}^+ \rightarrow 1s^2 2s^2 2p^6$

এই অবস্থায় $\text{Na}^+$ এর বহিঃস্থ স্তরটি আটটি ইলেকট্রন দ্বারা পূর্ণ থাকে, যা নিষ্ক্রিয় গ্যাস নিয়নের ($\text{Ne}$) মতো অত্যন্ত সুস্থিত ইলেকট্রন বিন্যাস নির্দেশ করে। এই সুস্থিত অষ্টক পূর্ণ কাঠামো থেকে দ্বিতীয় আরেকটি ইলেকট্রন অপসারণ করে $\text{Na}^{2+}$ আয়ন গঠন করতে অত্যন্ত উচ্চ পরিমাণ শক্তির (দ্বিতীয় আয়নীকরণ বিভব) প্রয়োজন হয়, যা সাধারণ রাসায়নিক বিক্রিয়া থেকে পাওয়া সম্ভব নয়। এই কারণেই সাধারণ অবস্থায় $\text{Na}^+$ গঠিত হলেও $\text{Na}^{2+}$ গঠিত হয় না।

গ) $\text{QH}_4$ যৌগের জ্যামিতিক আকৃতি সংকরণের মাধ্যমে ব্যাখ্যা করো।

উদ্দীপক অনুসারে, $n = 2$।
সুতরাং, Q মৌলটির যোজ্যতা স্তরের ইলেকট্রন বিন্যাস: $2s^2 2p^2$।
মোট ইলেকট্রন সংখ্যা $= 2 + 2 + 2 = 6$, অর্থাৎ মৌলটি হলো কার্বন ($_{6}\text{C}$)। অতএব, $\text{QH}_4$ যৌগটি হলো মিথেন ($\text{CH}_4$)।

$\text{CH}_4$ অণুর কেন্দ্রীয় পরমাণু $\text{C}$ এর সাধারণ ও উত্তেজিত অবস্থার ইলেকট্রন বিন্যাস:
$\text{C} (6) \rightarrow 1s^2 2s^2 2p_x^1 2p_y^1 2p_z^0$
$\text{C}^* (6) \rightarrow 1s^2 2s^1 2p_x^1 2p_y^1 2p_z^1$

উত্তেজিত অবস্থায় কার্বন পরমাণুর যোজ্যতা স্তরের একটি $2s$ এবং তিনটি $2p$ অরবিটাল পরস্পরের সাথে মিশ্রিত হয়ে সমশক্তি সম্পন্ন চারটি $sp^3$ সংকর অরবিটাল তৈরি করে। এই ৪টি সংকর অরবিটালের প্রতিটিতে একটি করে অয়ুগ্ম ইলেকট্রন থাকে।

$sp^3$ সংকরণের নিয়ম অনুযায়ী সংকর অরবিটালসমূহ ত্রিমাত্রিক মহাকাশে পরস্পরের থেকে সর্বোচ্চ দূরত্বে থাকার জন্য একটি সুষম চতুস্তলকীয় (Tetrahedral) কাঠামো গ্রহণ করে, যেখানে বন্ধন কোণ $109.5^\circ$ বা $109^\circ28'$ হয়।

কার্বনের এই ৪টি $sp^3$ সংকর অরবিটালের প্রত্যেকটি ৪টি হাইড্রোজেন পরমাণুর $1s$ অরবিটালের সাথে মুখোমুখি অতিপায়নের মাধ্যমে ৪টি $\text{C}-\text{H}$ সমযোজী সিগমা ($\sigma$) বন্ধন গঠন করে। যেহেতু এই অণুর যোজ্যতা স্তরে কোনো মুক্তজোড় (Lone pair) ইলেকট্রন নেই, তাই এর আকৃতি অবিকৃত থাকে।

উত্তর: $\text{QH}_4$ ($\text{CH}_4$) যৌগের জ্যামিতিক আকৃতি সুষম চতুস্তলকীয় এবং বন্ধন কোণ $109.5^\circ$।

---

ঘ) M ও D মৌলদ্বয়ের হাইড্রাইডের বন্ধন কোণের ভিন্নতার কারণ বিশ্লেষণ করো।

উদ্দীপক ও 'গ' হতে প্রাপ্ত, $n = 2$।
M মৌলটির যোজ্যতা স্তরের বিন্যাস: $2s^2 2p^3$। এটি হলো নাইট্রোজেন ($_{7}\text{N}$)। এর হাইড্রাইড হলো অ্যামোনিয়া ($\text{NH}_3$)।
D মৌলটির যোজ্যতা স্তরের বিন্যাস: $(2+1)s^2 (2+1)p^3 = 3s^2 3p^3$। এটি হলো ফসফরাস ($_{15}\text{P}$)। এর হাইড্রাইড হলো ফসফিন ($\text{PH}_3$)।

$\text{NH}_3$ এবং $\text{PH}_3$ উভয় অণুর কেন্দ্রীয় পরমাণুর যোজ্যতা স্তরে ৫টি করে ইলেকট্রন রয়েছে। উভয় পরমাণুই ৩টি সিগমা বন্ধন এবং ১টি মুক্তজোড় (Lone pair) ইলেকট্রন নিয়ে $sp^3$ সংকরণ প্রদর্শন করে। VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) তত্ত্ব অনুযায়ী, মুক্তজোড় ইলেকট্রনের উপস্থিতির কারণে উভয়ের আকৃতি চতুস্তলকীয় থেকে বিকৃত হয়ে ত্রিকোণাকার পিরামিডীয় হয়। তবে এদের বন্ধন কোণ ভিন্ন হয় ($\text{NH}_3$ এর $107^\circ$ এবং $\text{PH}_3$ এর $93.3^\circ$)। এর কারণ নিচে বিশ্লেষণ করা হলো:

১. কেন্দ্রীয় পরমাণুর আকার ও আধান ঘনত্ব: নাইট্রোজেন ($\text{N}$) পরমাণুর আকার ফসফরাস ($\text{P}$) অপেক্ষা ছোট। আকার ছোট হওয়ার কারণে নাইট্রোজেনের তড়িৎ ঋণাত্মকতা ($3.0$) ফসফরাসের ($2.1$) চেয়ে বেশি।
২. বন্ধনজোড় ইলেকট্রনের অবস্থান: তড়িৎ ঋণাত্মকতা ও আধান ঘনত্ব বেশি হওয়ায় $\text{NH}_3$ অণুর $\text{N}-\text{H}$ বন্ধনজোড় (Bond pair) ইলেকট্রনগুলো কেন্দ্রীয় $\text{N}$ পরমাণুর খুব কাছাকাছি অবস্থান করে। ফলে বন্ধনজোড় ইলেকট্রনগুলোর মধ্যবর্তী পারস্পরিক দূরত্ব কমে যায় এবং তাদের মধ্যে তীব্র বিকর্ষণ কাজ করে। এই বিকর্ষণ বল উপরস্থিত মুক্তজোড় ইলেকট্রনের নিম্নমুখী চাপকে কিছুটা প্রতিহত করে বন্ধন কোণকে বেশি কমতে দেয় না, ফলে কোণটি $107^\circ$ হয়।
৩. $\text{PH}_3$ এর ক্ষেত্রে হ্রাস: অন্যদিকে, $\text{PH}_3$ অণুর কেন্দ্রীয় $\text{P}$ পরমাণুর আকার বড় এবং তড়িৎ ঋণাত্মকতা কম হওয়ায় $\text{P}-\text{H}$ বন্ধনজোড় ইলেকট্রনগুলো $\text{P}$ পরমাণু থেকে দূরে হাইড্রোজেনের দিকে বিস্তৃত থাকে। এর ফলে বন্ধনজোড়গুলোর নিজেদের মধ্যকার দূরত্ব বেশি হওয়ায় তাদের পারস্পরিক বিকর্ষণ বল অত্যন্ত দুর্বল হয়। তখন ওপরের মুক্তজোড় ইলেকট্রনটি বন্ধনজোড়গুলোকে সহজে ভেতরের দিকে চেপে দিতে পারে। ফলে $\text{PH}_3$ এর বন্ধন কোণ ব্যাপকভাবে সংকুচিত হয়ে প্রায় বিশুদ্ধ $p$-অরবিটালের কাছাকাছি অর্থাৎ $93.3^\circ$-এ নেমে আসে।

উপসংহার: কেন্দ্রীয় পরমাণুর আকার ও তড়িৎ ঋণাত্মকতার পার্থক্যের কারণেই M ($\text{NH}_3$) ও D ($\text{PH}_3$) এর হাইড্রাইডের বন্ধন কোণের এই ভিন্নতা দেখা যায়।