ID#7103 HSC Chemistry 1st CQ (Sylhet 2023)

ক) অরবিটাল সংকরণ কাকে বলে?

কোনো পরমাণুর যোজ্যতা স্তরের ভিন্ন ভিন্ন শক্তিসম্পন্ন একাধিক অরবিটাল পরস্পরের সাথে মিশ্রিত হয়ে সমসংখ্যক এবং সমশক্তিসম্পন্ন নতুন অরবিটাল উৎপন্ন করার প্রক্রিয়াকে অরবিটাল সংকরণ বা হাইব্রিডাইজেশন বলে।

খ) UV-রশ্মির সাহায্যে কীভাবে জাল টাকা শনাক্ত করা যায়?

আসল ব্যাংক নোটে ফসফর (Phosphor) নামক এক প্রকার রাসায়নিক পদার্থের প্রলেপ দিয়ে বিশেষ সিকিউরিটি সুতা বা গুপ্ত নকশা তৈরি করা থাকে। ফসফর অণুসমূহ একটি নির্দিষ্ট তরঙ্গদৈর্ঘ্যের আলো শোষণ করে উচ্চতর শক্তিতে উদ্দীপিত হতে পারে।

যখন ব্যাংক নোটের ওপর আল্ট্রাভায়োলেট (UV) বা অতিবেগুনি রশ্মি আপতন করা হয়, তখন আসল নোটের সিকিউরিটি সুতায় থাকা ফসফর অণুগুলো সেই অদৃশ্য উচ্চ শক্তির UV-রশ্মি শোষণ করে। অবিলম্বেই সেই শোষিত শক্তিকে দৃশ্যমান কম শক্তির আলোকরশ্মি (যেমন সবুজ, নীল বা হলুদ ফ্লুরোসেন্স) হিসেবে বিকিরণ করে। কিন্তু জাল নোটে এই ফসফর প্রলেপযুক্ত সিকিউরিটি সুতা থাকে না বা সাধারণ কাগজে তৈরি হওয়ায় তা থেকে কোনো ফ্লুরোসেন্স বা প্রতিপ্রভা সৃষ্টি হয় না। এভাবেই UV-রশ্মির নিচে আলোর উজ্জ্বলতার উপস্থিতি বা অনুপস্থিতি দেখে আসল ও জাল টাকা শনাক্ত করা যায়।

গ) উদ্দীপকে 'Y' ও 'Z' এর মধ্যে কোনটির প্রথম আয়নিকরণ শক্তি বেশি? ব্যাখ্যা করো।

উদ্দীপকের ছক অনুসারে, ২য় পর্যায়ের গ্রুপ-১৫ এর মৌল 'Y' এবং গ্রুপ-১৬ এর মৌল 'Z'।
পর্যায় সারণির ২য় পর্যায়ের গ্রুপভিত্তিক অবস্থান থেকে আমরা জানি:
Y মৌলটি হলো নাইট্রোজেন ($_{7}\text{N}$)
Z মৌলটি হলো অক্সিজেন ($_{8}\text{O}$)

সাধারণ নিয়ম অনুযায়ী, একই পর্যায়ের বাম থেকে ডানে গেলে পরমাণুর ব্যাসার্ধ বা আকার হ্রাস পায় এবং নিউক্লিয়াসের প্রতি বহিঃস্থ ইলেকট্রনের আকর্ষণ বৃদ্ধি পাওয়ায় আয়নীকরণ শক্তি বৃদ্ধি পাওয়ার কথা। সেই হিসেবে অক্সিজেনের (Z) প্রথম আয়নীকরণ শক্তি নাইট্রোজেন (Y) অপেক্ষা বেশি হওয়ার কথা ছিল।

কিন্তু ইলেকট্রন বিন্যাসের বিশেষ স্থায়িত্বের কারণে এখানে ব্যতিক্রম দেখা যায়। মৌল দুটির পূর্ণ ইলেকট্রন বিন্যাস লক্ষ্য করি:
$\text{Y (N)} \rightarrow 1s^2 2s^2 2p_x^1 2p_y^1 2p_z^1$
$\text{Z (O)} \rightarrow 1s^2 2s^2 2p_x^2 2p_y^1 2p_z^1$

হুন্ডের নীতি ও কোয়ান্টাম বলবিদ্যার নিয়ম অনুযায়ী, কোনো উপশক্তিস্তরের অরবিটালসমূহ ইলেকট্রন দ্বারা সম্পূর্ণ পূর্ণ ($p^6$) বা অর্ধেক পূর্ণ ($p^3$) থাকলে সেই ইলেকট্রন বিন্যাস অত্যন্ত সুস্থিত বা স্থিতিশীল হয়।

নাইট্রোজেনের (Y) সর্ববহিঃস্থ $2p$ উপশক্তিস্তরটি ৩টি ইলেকট্রন দ্বারা সুষমভাবে অর্ধেক পূর্ণ ($2p^3$), যা একটি উচ্চ স্থিতিশীল কাঠামো নির্দেশ করে। পক্ষান্তরে, অক্সিজেনের (Z) সর্ববহিঃস্থ $2p$ উপশক্তিস্তরটি পূর্ণ বা অর্ধেক পূর্ণ কোনোটিই নয় ($2p^4$); ফলে এটি নাইট্রোজেনের তুলনায় কম স্থিতিশীল।

নাইট্রোজেনের এই অধিক সুস্থিত অর্ধপূর্ণ ইলেকট্রন বিন্যাস থেকে একটি ইলেকট্রন অপসারিত করে একক ধনাত্মক আয়ন গঠন করতে অক্সিজেন অপেক্ষা অনেক বেশি শক্তির প্রয়োজন হয়।

উত্তর: অতএব, সুস্থিত অর্ধপূর্ণ ইলেকট্রন বিন্যাসের কারণে উদ্দীপকের 'Y' (নাইট্রোজেন) ও 'Z' (অক্সিজেন) এর মধ্যে 'Y' (নাইট্রোজেন) এর প্রথম আয়নীকরণ শক্তি বেশি।

ঘ) উদ্দীপকের 'Y' ও 'Z' এর হাইড্রাইড অণুর আকৃতির ভিন্নতার কারণ বিশ্লেষণ করো।

'গ' হতে প্রাপ্ত, Y মৌলটি হলো নাইট্রোজেন ($\text{N}$) এবং Z মৌলটি হলো অক্সিজেন ($\text{O}$)।
এদের হাইড্রাইড অণু দুটি যথাক্রমে অ্যামোনিয়া ($\text{NH}_3$) এবং পানি ($\text{H}_2\text{O}$)।

$\text{NH}_3$ ও $\text{H}_2\text{O}$ উভয় অণুর কেন্দ্রীয় পরমাণুর যোজ্যতা স্তরে $sp^3$ সংকরণ ঘটে। সংকরণের নিয়ম অনুযায়ী উভয়েরই আদর্শ জ্যামিতিক আকৃতি সুষম চতুস্তলকীয় (Tetrahedral) এবং বন্ধন কোণ $109.5^\circ$ হওয়ার কথা ছিল। কিন্তু VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) তত্ত্ব বা যোজ্যতা স্তর ইলেকট্রন জোড় বিকর্ষণ তত্ত্ব অনুযায়ী এদের মুক্তজোড় ইলেকট্রন সংখ্যার পার্থক্যের কারণে আকৃতি ও বন্ধন কোণে ভিন্নতা দেখা যায়। নিচে এর কারণ বিশ্লেষণ করা হলো:

১. $\text{NH}_3$ (Y এর হাইড্রাইড) অণুর আকৃতি:
নাইট্রোজেনের যোজ্যতা স্তরে ৫টি ইলেকট্রনের মধ্যে ৩টি বন্ধনজোড় (Bond pair) এবং ১টি মুক্তজোড় (Lone pair) ইলেকট্রন থাকে। VSEPR তত্ত্ব অনুসারে, মুক্তজোড়-বন্ধনজোড় (LP-BP) বিকর্ষণ বল, বন্ধনজোড়-বন্ধনজোড় (BP-BP) বিকর্ষণ বল অপেক্ষা তীব্র হয়। এই ১টি মুক্তজোড় ইলেকট্রনের নিম্নমুখী বিকর্ষণের চাপে তিনটি $\text{N}-\text{H}$ বন্ধনজোড় পরস্পরের কাছাকাছি সংকুচিত হয়ে আসে। ফলে বন্ধন কোণ $109.5^\circ$ থেকে হ্রাস পেয়ে $107^\circ$ হয় এবং অণুর আকৃতি সুষম চতুস্তলকীয় না হয়ে ত্রিকোণাকার পিরামিডীয় (Trigonal Pyramidal) হয়।

২. $\text{H}_2\text{O}$ (Z এর হাইড্রাইড) অণুর আকৃতি:
অক্সিজেনের যোজ্যতা স্তরে ৬টি ইলেকট্রনের মধ্যে ২টি বন্ধনজোড় এবং ২টি মুক্তজোড় ইলেকট্রন থাকে। VSEPR তত্ত্বের বিকর্ষণ ক্রম অনুযায়ী: (LP-LP) > (LP-BP) > (BP-BP)।
পানিতে ২টি মুক্তজোড় ইলেকট্রন থাকায় তাদের মধ্যে তীব্র পারস্পরিক মুক্তজোড়-মুক্তজোড় (LP-LP) বিকর্ষণ ঘটে। এই বিকর্ষণের কারণে তারা মুক্তভাবে ছড়িয়ে পড়ে এবং পার্শ্ববর্তী বন্ধনজোড়গুলোকে $\text{NH}_3$ অণুর তুলনায় অনেক বেশি তীব্রভাবে ভেতরের দিকে চেপে দেয়। ফলে $\text{H}_2\text{O}$ এর বন্ধন কোণ ব্যাপকভাবে সংকুচিত হয়ে $104.5^\circ$ এ নেমে আসে এবং অণুটির আকৃতি সম্পূর্ণ বিকৃত হয়ে উল্টো 'V' বা কৌণিক (Bent/V-shaped) আকার ধারণ করে।

উপসংহার:
উভয় অণুর কেন্দ্রীয় পরমাণুতে একই $sp^3$ সংকরণ হওয়া সত্ত্বেও মূলত মুক্তজোড় ইলেকট্রনের সংখ্যার ভিন্নতার কারণে (অ্যামোনিয়ায় ১টি এবং পানিতে ২টি) এদের জ্যামিতিক আকৃতি যথাক্রমে ত্রিকোণাকার পিরামিডীয় ও কৌণিক রূপ নেয়।