ID#7123 HSC Chemistry 1st CQ (Jessore 2023)

ক) বাফার ক্ষমতা কাকে বলে?

কোনো বাফার দ্রবণের pH এর মান এক একক পরিবর্তন করতে প্রতি লিটার দ্রবণে যে পরিমাণ তীব্র অ্যাসিড বা তীব্র ক্ষার যোগ করতে হয়, তাকে ওই বাফার দ্রবণের বাফার ক্ষমতা (Buffer capacity) বা বাফার ইনডেক্স বলে।

খ) $\text{Cr}$ মৌলটির ইলেকট্রন বিন্যাস ব্যতিক্রমধর্মী কেন? ব্যাখ্যা করো।

ক্রোমিয়াম ($\text{Cr}$) পর্যায় সারণির ৪র্থ পর্যায়ের গ্রুপ-৬ এর একটি d-ব্লক অবস্থান্তর মৌল। এর পারমাণবিক সংখ্যা ২৪। আববাউ নীতি (Aufbau principle) অনুযায়ী এর সর্ববহিঃস্থ স্তরের স্বাভাবিক ইলেকট্রন বিন্যাস $3d^4 4s^2$ হওয়ার কথা ছিল।

কিন্তু কোয়ান্টাম বলবিদ্যার নিয়ম অনুযায়ী, কোনো উপশক্তিস্তরের অরবিটালসমূহ ইলেকট্রন দ্বারা সম্পূর্ণ পূর্ণ ($d^{10}$) বা সুষমভাবে অর্ধেক পূর্ণ ($d^5$) থাকলে সেই ইলেকট্রন বিন্যাস গঠনগতভাবে অত্যন্ত সুস্থিত বা স্থিতিশীল হয়।

$3d$ অরবিটালটি ৫টি উপ-অরবিটালে বিভক্ত। ক্রোমিয়ামের ক্ষেত্রে $4s$ অরবিটাল থেকে ১টি ইলেকট্রন সহজেই $3d$ অরবিটালে স্থানান্তরিত হয়ে $3d^5 4s^1$ বিন্যাস লাভ করে। এর ফলে $3d$ উপস্তরটি সুষমভাবে অর্ধেক পূর্ণ ($3d^5$) হয়ে উচ্চ স্থিতিশীলতা অর্জন করে। এই অতিরিক্ত সুস্থিতি লাভের কারণেই ক্রোমিয়ামের ইলেকট্রন বিন্যাস সাধারণ নিয়মের ব্যতিক্রম হয়।

গ) F অপেক্ষা E এর আয়নিকরণ শক্তি বেশি কেন? ব্যাখ্যা করো।

উদ্দীপকের ছকটি পর্যায় সারণির ২য় পর্যায়ের আটটি মৌলকে (A থেকে H) ক্রমানুসারে নির্দেশ করছে। ২য় পর্যায়ের মৌলসমূহ হলো:
$\text{A} = _{3}\text{Li}$, $\text{B} = _{4}\text{Be}$, $\text{C} = _{5}\text{B}$, $\text{D} = _{6}\text{C}$, $\text{E} = _{7}\text{N}$, $\text{F} = _{8}\text{O}$, $\text{G} = _{9}\text{F}$, $\text{H} = _{10}\text{Ne}$
অতএব,
'E' মৌলটি হলো নাইট্রোজেন ($_{7}\text{N}$)
'F' মৌলটি হলো অক্সিজেন ($_{8}\text{O}$)

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

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

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 (E) সর্ববহিঃস্থ $2p$ উপশক্তিস্তরটি ৩টি ইলেকট্রন দ্বারা সুষমভাবে অর্ধেক পূর্ণ ($2p^3$), যা একটি উচ্চ স্থিতিশীল কাঠামো নির্দেশ করে। পক্ষান্তরে, অক্সিজেনের (F) 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 F (অক্সিজেন) অপেক্ষা E (নাইট্রোজেন) এর প্রথম আয়নীকরণ শক্তি বেশি।

---

ঘ) উদ্দীপকের রেখাটির C, D, E, F ও G বিন্দুর ক্রম পরিবর্তনের কারণ বিশ্লেষণ করো।

উদ্দীপকে পর্যায় সারণির ২য় পর্যায়ের মৌলসমূহের পারমাণবিক সংখ্যার সাথে গলনাঙ্কের (°C) পরিবর্তনের গ্রাফের বিন্দুসমূহ দেওয়া হয়েছে। 'গ' হতে প্রাপ্ত তথ্যানুযায়ী, বিন্দু চিহ্নিত মৌলসমূহ হলো:
$\text{C} = \text{Boron (B)}$, $\text{D} = \text{Carbon (C)}$, $\text{E} = \text{Nitrogen (N)}$, $\text{F} = \text{Oxygen (O)}$, $\text{G} = \text{Fluorine (F)}$

২য় পর্যায়ের এই মৌলগুলোর বাম থেকে ডানে গলনাঙ্কের মানের যে তীব্র উত্থান ও পতন ঘটে, তার মূল কারণ হলো এদের রাসায়নিক বন্ধন ও কেলাস গঠনের ভিন্নতা। নিচে C থেকে G বিন্দুর ক্রম পরিবর্তনের কারণ বিশ্লেষণ করা হলো:

১. C ($\text{B}$) থেকে D ($\text{C}$) বিন্দুতে গলনাঙ্ক তীব্র বৃদ্ধি:
* C বিন্দু (বোরন): বোরন হলো একটি অপধাতু যা ত্রিমাত্রিক জায়ান্ট কেলাস (Gigantic covalent network) গঠন করে। এর প্রতিটি ক্ষুদ্র পরমাণু অত্যন্ত শক্ত সমযোজী বন্ধনে আবদ্ধ থাকায় এর গলনাঙ্ক বেশ উচ্চ হয় (প্রায় $2076^\circ\text{C}$)।
* D বিন্দু (কার্বন): কার্বন পরমাণু যোজনী-৪ ব্যবহার করে হীরকের মতো অত্যন্ত সুদৃঢ় ত্রিমাত্রিক জায়ান্ট সমযোজী নেটওয়ার্ক (Giant covalent structure) তৈরি করে। এই বিশাল কেলাসের কোটি কোটি পরমাণুর মধ্যকার শক্তিশালী সমযোজী বন্ধন ভাঙতে বিপুল পরিমাণ তাপশক্তির প্রয়োজন হয়। ফলে কার্বনের গলনাঙ্ক এই পর্যায়ে সর্বোচ্চ হয় (প্রায় $3550^\circ\text{C}$)।
অতএব, C থেকে D তে নেটওয়ার্কের দৃঢ়তা বাড়ায় গলনাঙ্ক তীব্রভাবে বৃদ্ধি পায়।

২. D ($\text{C}$) থেকে E ($\text{N}$) বিন্দুতে গলনাঙ্ক অত্যন্ত খাড়াভাবে হ্রাস:
* E বিন্দু (নাইট্রোজেন): কার্বনের পরেই নাইট্রোজেনে আসার সাথে সাথে কেলাসের গঠন সম্পূর্ণ বদলে যায়। নাইট্রোজেন কোনো জায়ান্ট কেলাস গঠন করে না; বরং এটি অত্যন্ত ক্ষুদ্র দ্বিপারমাণবিক গ্যাসীয় অণু ($\text{N}_2$) হিসেবে অবস্থান করে। অণুগুলোর নিজেদের ভেতরের বন্ধন ত্রিবন্ধন ($\text{N}\equiv\text{N}$) হলেও, পৃথক পৃথক অণুগুলোর পারস্পরিক আকর্ষণ কেবল অত্যন্ত দুর্বল আন্তঃআণবিক ভ্যানডার ওয়ালস (Van der Waals) বল দ্বারা নিয়ন্ত্রিত হয়। এই দুর্বল বল সামান্য তাপেই ভেঙে যায় বিধায় নাইট্রোজেনের গলনাঙ্ক ব্যাপকভাবে হ্রাস পেয়ে মাইনাসে চলে যায় (প্রায় $-210^\circ\text{C}$)।

৩. E ($\text{N}$), F ($\text{O}$) ও G ($\text{F}$) বিন্দুর মৃদু ওঠানামা (নিম্ন গলনাঙ্ক অঞ্চল):
* F বিন্দু (অক্সিজেন) ও G বিন্দু (ফ্লোরিন): নাইট্রোজেনের মতো অক্সিজেন ($\text{O}_2$) এবং ফ্লোরিনও ($\text{F}_2$) অপোলার দ্বিপারমাণবিক গ্যাসীয় অণু। এদের অণুসমূহের মধ্যেও কেবল দুর্বল ভ্যানডার ওয়ালস বল সক্রিয় থাকে। তবে নাইট্রোজেন থেকে অক্সিজেনে এবং অক্সিজেন থেকে ফ্লোরিনে গেলে আণবিক ভর ও ইলেকট্রন মেঘের আকার সামান্য বৃদ্ধি পাওয়ায় ভ্যানডার ওয়ালস বলের মানে সামান্য পরিবর্তন ঘটে। অক্সিজেনের গলনাঙ্ক প্রায় $-218^\circ\text{C}$ এবং ফ্লোরিনের প্রায় $-220^\circ\text{C}$। এরা সকলেই গ্যাসীয় হওয়ায় গ্রাফের এই অংশটি অত্যন্ত নিম্নে অবস্থান করে মৃদু আণবিক ভরের তারতম্য প্রদর্শন করে।

উপসংহার:
অতএব, বলা যায় যে উদ্দীপকের রেখাটির C ও D বিন্দুতে দৃঢ় ত্রিমাত্রিক সমযোজী নেটওয়ার্কের উপস্থিতির কারণে গলনাঙ্ক সর্বোচ্চ চূড়ায় পৌঁছায় এবং E, F, G বিন্দুতে মৌলসমূহ দুর্বল ভ্যানডার ওয়ালস বলযুক্ত স্বাধীন অণুতে রূপান্তরিত হওয়ায় গলনাঙ্ক খাড়াভাবে হ্রাস পেয়ে সর্বনিম্নে অবস্থান করে।