ID#7143 HSC Chemistry 1st CQ (Chittagong 2023)

ক) মন্ট ভিনেগার কী?

শর্করার উৎস হিসেবে যবের মন্ট (Malted barley) থেকে অ্যালকোহলীয় গাঁজন এবং পরবর্তীতে অ্যাসিটিক অ্যাসিড ফারমেন্টেশন প্রক্রিয়ায় যে ভিনেগার প্রস্তুত করা হয়, তাকে মন্ট ভিনেগার (Malt vinegar) বলে।

খ) $\text{Fe}^{2+}$ এবং $\text{Fe}^{3+}$ আয়নের মধ্যে কোনটি বেশি সুস্থিত? ব্যাখ্যা করো।

পরমাণু বা আয়নের সুস্থিতি তার সর্ববহিঃস্থ স্তরের অরবিটালের ইলেকট্রন বিন্যাসের প্রকৃতির ওপর গভীরভাবে নির্ভর করে। কোয়ান্টাম বলবিদ্যার নিয়ম অনুযায়ী, অর্ধপূর্ণ ($d^5$) বা সম্পূর্ণ পূর্ণ ($d^{10}$) ইলেকট্রন বিন্যাস বিশিষ্ট অরবিটালসমূহ অন্য যেকোনো বিন্যাসের তুলনায় সুষম প্রতিসাম্যতা এবং উচ্চ বিনিময় শক্তি (Exchange energy) অর্জনের কারণে অত্যন্ত সুস্থিত হয়।

আয়রণের পারমাণবিক সংখ্যা ২৬। এর স্বাভাবিক ও আয়নীয় অবস্থাদ্বয়ের ইলেকট্রন বিন্যাস নিম্নরূপ:
$\text{Fe} \rightarrow 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^6 4s^2$
$\text{Fe}^{2+} \rightarrow 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^6$
$\text{Fe}^{3+} \rightarrow 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^5$

এখানে স্পষ্ট দেখা যাচ্ছে যে, $\text{Fe}^{2+}$ আয়নের $3d$ অরবিটালে ৬টি ইলেকট্রন বিদ্যমান ($3d^6$), যা অর্ধপূর্ণ বা সম্পূর্ণ পূর্ণ কোনোটিই নয়। পক্ষান্তরে, $\text{Fe}^{3+}$ আয়নের সর্ববহিঃস্থ $3d$ অরবিটালে ৫টি ইলেকট্রন রয়েছে, যা একটি সুস্থিত অর্ধপূর্ণ কাঠামো ($3d^5$)।

উত্তর: এই অর্ধপূর্ণ সুস্থিত কাঠামোর কারণে $\text{Fe}^{2+}$ এর তুলনায় $\text{Fe}^{3+}$ আয়নটি অনেক বেশি সুস্থিত।

গ) A-পাত্রের অম্লীয়মূলক শনাক্তকরণের পরীক্ষা সমীকরণসহ দেখাও।

উদ্দীপকের A-পাত্রের দ্রবণটি হলো ক্যালসিয়াম ক্লোরাইড ($\text{CaCl}_2$) এর জলীয় দ্রবণ। এই দ্রবণের অম্লীয়মূলকটি হলো ক্লোরাইড আয়ন ($\text{Cl}^-$)।

ল্যাবরেটরিতে ক্লোরাইড আয়ন ($\text{Cl}^-$) সুনির্দিষ্টভাবে শনাক্তকরণের জন্য সিলভার নাইট্রেট ($\text{AgNO}_3$) পরীক্ষা ব্যবহার করা হয়। নিচে এই পরীক্ষাটির পুঙ্খানুপুঙ্খ বিবরণ ও সমীকরণ দেওয়া হলো:

পরীক্ষা পদ্ধতি:
১. একটি পরিষ্কার টেস্টটিউবে ১-২ $\text{mL}$ মূল দ্রবণ (A-পাত্রের দ্রবণ) নেওয়া হয়।
২. দ্রবণে প্রথমে কয়েক ফোঁটা লঘু নাইট্রিক অ্যাসিড ($\text{HNO}_3$) যোগ করে দ্রবণটিকে অম্লীয় করা হয় (যেন অন্য কোনো আয়ন অবক্ষেপ তৈরি না করতে পারে)।
৩. এরপর ওই মিশ্রণে সিলভার নাইট্রেট ($\text{AgNO}_3$) দ্রবণ যোগ করা হয়।

পর্যবেক্ষণ:
$\text{AgNO}_3$ দ্রবণ যোগ করা মাত্রই টেস্টটিউবের তলায় সিলভার ক্লোরাইডের ($\text{AgCl}$) একটি ঘন সাদা রঙের দধির মতো অধঃক্ষেপ পড়ে।

রাসায়নিক সমীকরণ:
$\text{CaCl}_2(aq) + 2\text{AgNO}_3(aq) \rightarrow 2\text{AgCl}(s) \downarrow \text{ (সাদা অধঃক্ষেপ)} + \text{Ca(NO}_3)_2(aq)$
আয়নীয় সমীকরণ:
$\text{Cl}^-(aq) + \text{Ag}^+(aq) \rightarrow \text{AgCl}(s) \downarrow$

নিশ্চিতকরণ পরীক্ষা (দ্রাব্যতা পরীক্ষা):
উৎপন্ন সাদা অধঃক্ষেপে লঘু নাইট্রিক অ্যাসিড ($\text{HNO}_3$) যোগ করলে তা সম্পূর্ণ অদ্রবণীয় থাকে। কিন্তু এতে অতিরিক্ত অ্যামোনিয়াম হাইড্রোক্সাইড ($\text{NH}_4\text{OH}$) দ্রবণ যোগ করলে অধঃক্ষেপটি ডাইঅ্যামিন সিলভার(I) ক্লোরাইড নামক দ্রবণীয় জটিল যৌগ গঠন করে সম্পূর্ণ গলে যায় বা পরিষ্কার দ্রবণে পরিণত হয়।
$\text{AgCl}(s) + 2\text{NH}_4\text{OH}(aq) \rightarrow [\text{Ag(NH}_3)_2]\text{Cl}(aq) \text{ (দ্রবণীয় জটিল যৌগ)} + 2\text{H}_2\text{O}(l)$

এই পরিষ্কার দ্রবণে পুনরায় লঘু $\text{HNO}_3$ যোগ করলে পুনরায় $\text{AgCl}$ এর সাদা অধঃক্ষেপ ফিরে আসে। এই পরীক্ষার মাধ্যমে নিশ্চিত হওয়া যায় যে, A-পাত্রের দ্রবণে অম্লীয়মূলক হিসেবে ক্লোরাইড ($\text{Cl}^-$) আয়ন উপস্থিত ছিল।

---

ঘ) A এবং B পাত্রের দ্রবণ মিশ্রিত করলে মিশ্রণে কোনো অধঃক্ষেপ পড়বে কিনা? গাণিতিকভাবে বিশ্লেষণ করো।

A-পাত্রের $\text{CaCl}_2$ এবং B-পাত্রের $\text{NaF}$ দ্রবণ দুটিকে একত্রে মিশ্রিত করলে তাদের মধ্যে নিম্নোক্ত দ্বি-বিয়োজন রাসায়নিক বিক্রিয়াটি সংঘটিত হবে:
$\text{CaCl}_2(aq) + 2\text{NaF}(aq) \rightleftharpoons \text{CaF}_2(s) + 2\text{NaCl}(aq)$

মিশ্রণে কোনো অধঃক্ষেপ পড়বে কি না তা জানার জন্য সম্ভাব্য স্বল্প দ্রবণীয় লবণ ক্যালসিয়াম ফ্লোরাইড ($\text{CaF}_2$) এর আয়নীয় গুণফল ($I_{ip}$ বা $K_{ip}$) নির্ণয় করে তার দ্রাব্যতা গুণফলের ($K_{sp}$) সাথে তুলনা করতে হবে।
[নোট: সাধারণ ২৫°C তাপমাত্রায় ক্যালসিয়াম ফ্লোরাইড ($\text{CaF}_2$) এর আদর্শ দ্রাব্যতা গুণফল, $K_{sp} = 3.45 \times 10^{-11} \text{ mol}^3 \text{ L}^{-3}$]

নিচে মিশ্রণের পর আয়নসমূহের ঘনমাত্রা ও আয়নীয় গুণফল পুঙ্খানুপুঙ্খ গাণিতিকভাবে হিসাব করা হলো:

১. মিশ্রণের পর মোট আয়তন গণনা:
A-পাত্রের আয়তন, $V_1 = 35 \text{ mL}$
B-পাত্রের আয়তন, $V_2 = 35 \text{ mL}$
মিশ্রণের পর দ্রবণের মোট আয়তন, $V = V_1 + V_2 = 35 + 35 = 70 \text{ mL}$

২. মিশ্রণে ক্যালসিয়াম আয়নের ($\text{Ca}^{2+}$) ঘনমাত্রা গণনা:
মিশ্রণের পূর্বে $\text{CaCl}_2$ দ্রবণের ঘনমাত্রা, $C_1 = 6 \times 10^{-3} \text{ M}$
যেহেতু $\text{CaCl}_2 \rightarrow \text{Ca}^{2+} + 2\text{Cl}^-$, তাই প্রারম্ভিক $[\text{Ca}^{2+}] = 6 \times 10^{-3} \text{ M}$

লঘুকরণ সূত্র ($V_1 C_1 = V C_2$) প্রয়োগ করে মিশ্রণে পরিবর্তিত $[\text{Ca}^{2+}]$ নির্ণয় করি:
$[\text{Ca}^{2+}]_{\text{mixed}} = \frac{V_1 \times C_1}{V}$
$=> [\text{Ca}^{2+}]_{\text{mixed}} = \frac{35 \times (6 \times 10^{-3})}{70}$
$=> [\text{Ca}^{2+}]_{\text{mixed}} = \frac{0.21}{70}$
$=> [\text{Ca}^{2+}]_{\text{mixed}} = 3 \times 10^{-3} \text{ M}$

৩. মিশ্রণে ফ্লোরাইড আয়নের ($\text{F}^-$) ঘনমাত্রা গণনা:
মিশ্রণের পূর্বে $\text{NaF}$ দ্রবণের ঘনমাত্রা, $C_2 = 6 \times 10^{-3} \text{ M}$
যেহেতু $\text{NaF} \rightarrow \text{Na}^+ + \text{F}^-$, তাই প্রারম্ভিক $[\text{F}^-] = 6 \times 10^{-3} \text{ M}$

একইভাবে লঘুকরণ সূত্র প্রয়োগ করে মিশ্রণে পরিবর্তিত $[\text{F}^-]$ নির্ণয় করি:
$[\text{F}^-]_{\text{mixed}} = \frac{V_2 \times C_2}{V}$
$=> [\text{F}^-]_{\text{mixed}} = \frac{35 \times (6 \times 10^{-3})}{70}$
$=> [\text{F}^-]_{\text{mixed}} = 3 \times 10^{-3} \text{ M}$

৪. $\text{CaF}_2$ এর আয়নীয় গুণফল ($K_{ip}$) গণনা:
ক্যালসিয়াম ফ্লোরাইডের বিয়োজন সমীকরণটি হলো:
$\text{CaF}_2(s) \rightleftharpoons \text{Ca}^{2+}(aq) + 2\text{F}^-(aq)$

আয়নীয় গুণফলের সমীকরণ অনুযায়ী:
$K_{ip} = [\text{Ca}^{2+}] \times [\text{F}^-]^2$
$=> K_{ip} = (3 \times 10^{-3}) \times (3 \times 10^{-3})^2$
$=> K_{ip} = (3 \times 10^{-3}) \times (9 \times 10^{-6})$
$=> K_{ip} = 2.7 \times 10^{-8} \text{ mol}^3 \text{ L}^{-3}$





৫. আয়নীয় গুণফল ও দ্রাব্যতা গুণফলের গাণিতিক তুলনা:
হিসাবকৃত আয়নীয় গুণফল, $K_{ip} = 2.7 \times 10^{-8}$
প্রদত্ত তাত্ত্বিক দ্রাব্যতা গুণফল, $K_{sp} = 3.45 \times 10^{-11}$

মান দুটির তুলনা করে পাই:
$2.7 \times 10^{-8} > 3.45 \times 10^{-11}$
$=> K_{ip} > K_{sp}$

যেহেতু ক্যালসিয়াম ফ্লোরাইড লবণের আয়নীয় গুণফলের মান তার সম্পৃক্ত অবস্থার সর্বোচ্চ সীমা বা দ্রাব্যতা গুণফলের মান অপেক্ষা অনেক বেশি, সেহেতু দ্রবণটি অতিপৃক্ত (Supersaturated) অবস্থায় পৌঁছাবে।

গাণিতিক সিদ্ধান্ত: অতএব, পুঙ্খানুপুঙ্খ গাণিতিক বিশ্লেষণের ভিত্তিতে সুনির্দিষ্টভাবে বলা যায় যে, A এবং B পাত্রের দ্রবণদ্বয়কে মিশ্রিত করলে মিশ্রণে ক্যালসিয়াম ফ্লোরাইডের ($\text{CaF}_2$) একটি সাদা বর্ণের দৃশ্যমান অধঃক্ষেপ অবশ্যই পড়বে।