ID#7147 HSC Chemistry 1st CQ (Barisal 2023)

ক) ডুবেট নিয়ম কী?

কোনো পরমাণু তার সর্ববহিঃস্থ শক্তিস্তরে দুটি ইলেকট্রন ধারণ বা শেয়ার করার মাধ্যমে নিষ্ক্রিয় গ্যাস হিলিয়ামের ($\text{He}$) মতো সুস্থিত ইলেকট্রন বিন্যাস লাভ করার নীতিকে ডুবেট নিয়ম বা দ্বিত্ব নীতি বলে।

খ) $\text{Na}_2\text{CO}_3$ এর জলীয় দ্রবণ ক্ষারধর্মী কেন? ব্যাখ্যা কর।

সোডিয়াম কার্বনেট ($\text{Na}_2\text{CO}_3$) একটি লবণ যা জলীয় দ্রবণে সম্পূর্ণরূপে বিয়োজিত হয়ে সোডিয়াম আয়ন ($\text{Na}^+$) এবং কার্বনেট আয়ন ($\text{CO}_3^{2-}$) উৎপন্ন করে। পানিতে এই আয়নসমূহ পানির অণুর সাথে তীব্র লবণ আর্দ্রবিশ্লেষণ (Salt Hydrolysis) বিক্রিয়ায় অংশগ্রহণ করে:

$\text{Na}_2\text{CO}_3(s) + 2\text{H}_2\text{O}(l) \rightleftharpoons 2\text{Na}^+(aq) + 2\text{OH}^-(aq) + \text{H}_2\text{CO}_3(aq)$

এই প্রক্রিয়ায় উৎপন্ন সোডিয়াম হাইড্রোক্সাইড ($\text{NaOH}$) একটি তীব্র ক্ষার হওয়ায় তা জলীয় দ্রবণে সম্পূর্ণরূপে আয়নিত অবস্থায় ($2\text{Na}^+ + 2\text{OH}^-$) থাকে। পক্ষান্তরে, উৎপন্ন কার্বনিক অ্যাসিড ($\text{H}_2\text{CO}_3$) একটি অত্যন্ত মৃদু অম্ল হওয়ায় তা খুব কম পরিমাণে বিয়োজিত হয় এবং দ্রবণে অণুরূপেই থেকে যায়।

উত্তর: এর ফলে জলীয় দ্রবণে মুক্ত হাইড্রোক্সিল আয়নের ($\text{OH}^-$) ঘনমাত্রা হাইড্রোজেন আয়নের ($\text{H}^+$) ঘনমাত্রার চেয়ে বহুগুণ বৃদ্ধি পায়, যার কারণে $\text{Na}_2\text{CO}_3$ এর জলীয় দ্রবণ ক্ষারধর্মী হয় (তথা দ্রবণের $\text{\pH} > 7$ হয়)।

গ) D-এর হ্যালাইড আর্দ্র বিশ্লেষিত হয় কিন্তু E-এর হ্যালাইড আর্দ্র বিশ্লেষিত হয় না— ব্যাখ্যা কর।

উদ্দীপকের পর্যায় সারণির অবস্থান লক্ষ্য করলে দেখা যায়:
* $\text{A}$ হলো ১ম পর্যায় ও গ্রুপ-১ এর মৌল: হাইড্রোজেন ($\text{H}$)
* $\text{E}$ হলো ২য় পর্যায় ও গ্রুপ-১৪ এর মৌল: কার্বন ($\text{C}$)
* $\text{D}$ হলো ৩য় পর্যায় ও গ্রুপ-১৪ এর মৌল: সিলিকন ($\text{Si}$)

সুতরাং, $\text{D}$ এর হ্যালাইড হলো সিলিকন টেট্রাক্লোরাইড ($\text{SiCl}_4$) এবং $\text{E}$ এর হ্যালাইড হলো কার্বন টেট্রাক্লোরাইড ($\text{CCl}_4$)।

নিচে এদের আর্দ্রবিশ্লেষণের মেকানিজম কোয়ান্টাম স্তরে পুঙ্খানুপুঙ্খ ব্যাখ্যা করা হলো:

১. ইলেকট্রন বিন্যাস বিশ্লেষণ:
$_6\text{C} \rightarrow 1s^2 2s^2 2p^2$ (যোজনী স্তর $n=2$, কোনো ফাঁকা $d$-অরবিটাল নেই)
$_{14}\text{Si} \rightarrow 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^2 3d^0$ (যোজনী স্তর $n=3$, ফাঁকা $3d$-অরবিটাল বিদ্যমান)

২. $\text{SiCl}_4$ এর আর্দ্রবিশ্লেষণ মেকানিজম:
সিলিকন পরমাণুর যোজনী স্তরে ফাঁকা $3d$ অরবিটাল থাকায় আর্দ্রবিশ্লেষণ কালে পানির অণুর অক্সিজেনের মুক্তজোড় ইলেকট্রনসমূহ ($\text{H}_2\ddot{\text{O}}$) সহজেই সিলিকনের ওই ফাঁকা $3d$ অরবিটালে সন্নিবেশ বন্ধনের মাধ্যমে স্থান পায়। প্রথমে একটি অন্তর্বর্তী জটিল যৌগ গঠিত হয় এবং পরবর্তীতে সিলিকন-ক্লোরিন বন্ধন ভেঙে গিয়ে $\text{HCl}$ ও সিলিসিক অ্যাসিড উৎপন্ন হয়।
$\text{SiCl}_4 + 4\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Si(OH)}_4 \text{ (সিলিসিক অ্যাসিড)} + 4\text{HCl}$

৩. $\text{CCl}_4$ এর আর্দ্রবিশ্লেষণ না হওয়ার কারণ:
কার্বন ২য় পর্যায়ের মৌল হওয়ায় এর সর্বোচ্চ যোজনী স্তর $n=2$, যেখানে কোনো $d$ অরবিটাল থাকা সম্ভব নয়। কার্বনের যোজনী স্তরের চারটি অরবিটাল ($2s, 2p_x, 2p_y, 2p_z$) চারটি ক্লোরিন পরমাণুর সাথে সমযোজী বন্ধন গঠনে সম্পূর্ণরূপে ব্যবহৃত হয়ে অষ্টক পূর্ণ করে ফেলে। পানির অণু যখন কার্বনকে আক্রমণ করতে আসে, তখন কার্বন পরমাণুর কাছে পানির মুক্তজোড় ইলেকট্রন গ্রহণ করার মতো কোনো ফাঁকা অরবিটাল থাকে না।

উত্তর: ফাঁকা $3d$ অরবিটালের সুনির্দিষ্ট উপস্থিতির কারণে $\text{SiCl}_4$ (D-এর হ্যালাইড) সহজেই আর্দ্রবিশ্লেষিত হয়, কিন্তু ফাঁকা অরবিটালের অনুপস্থিতির কারণে $\text{CCl}_4$ (E-এর হ্যালাইড) কোনোভাবেই আর্দ্রবিশ্লেষিত হয় না।

---

ঘ) $E_2A_2$ ও $E_2A_4$ যৌগ দুটির বন্ধন কোণের ভিন্নতার কারণ কেন্দ্রীয় পরমাণুর সংকরায়ণের মাধ্যমে বিশ্লেষণ কর।

উদ্দীপক হতে প্রাপ্ত প্রতীক অনুযায়ী, $\text{E} = \text{C}$ (কার্বন) এবং $\text{A} = \text{H}$ (হাইড্রোজেন)।
অতএব, যৌগ দুটি হলো যথাক্রমে ইথাইন ($\text{C}_2\text{H}_2$) এবং ইথিন ($\text{C}_2\text{H}_4$)। दोनों যৌগের কেন্দ্রীয় পরমাণু কার্বন হলেও তাদের সংকরায়ণ (Hybridization) ভিন্ন হওয়ার কারণে বন্ধন কোণের স্পষ্ট তারতম্য ঘটে।

নিচে যৌগ দুটির সংকরায়ণ ও জ্যামিতিক মেকানিজম গাণিতিক ও তাত্ত্বিকভাবে বিশ্লেষণ করা হলো:

১. $\text{E}_2\text{A}_2$ বা ইথাইন ($\text{C}_2\text{H}_2$) অণুর বিশ্লেষণ:
ইথাইন অণুতে প্রতিটি কার্বন পরমাণু ১টি হাইড্রোজেন পরমাণুর সাথে $\sigma$ বন্ধন এবং অপর কার্বনের সাথে ১টি $\sigma$ ও ২টি $\pi$ বন্ধন দ্বারা যুক্ত থাকে (অর্থাৎ $\text{H}-\text{C} \equiv \text{C}-\text{H}$)।
* সংকরায়ণ মেকানিজম: উত্তেজিত অবস্থায় কার্বনের ইলেকট্রন বিন্যাস: $\text{C}^* \rightarrow 1s^2 2s^1 2p_x^1 2p_y^1 2p_z^1$। এখানে প্রতিটি কার্বনের যোজনী স্তরের ১টি $2s$ এবং ১টি $2p_x$ অরবিটাল মিশ্রিত হয়ে ২টি সমশক্তিসম্পন্ন $sp$ সংকর অরবিটাল তৈরি করে। বাকি $2p_y$ ও $2p_z$ অরবিটাল দুটি অসংকরিত অবস্থায় থেকে যায়।
* জ্যামিতিক আকৃতি ও কোণ: ভিএসইপিআর (VSEPR) তত্ত্ব অনুযায়ী, দুটি $sp$ সংকর অরবিটাল পরস্পরের থেকে সর্বোচ্চ দূরত্বে অর্থাৎ ১৮০° কোণে সরলরৈখিকভাবে অবস্থান করে। অসংকরিত অরবিটালসমূহ পাশাপাশি ওভারল্যাপ করে ২টি $\pi$ বন্ধন গঠন করলেও তা অক্ষীয় বন্ধন কোণের ওপর কোনো প্রভাব ফেলে না।
* বন্ধন কোণ: $\angle\text{H}-\text{C}-\text{C}$ বন্ধন কোণের সুনির্দিষ্ট মান $= 180^\circ$।

২. $\text{E}_2\text{A}_4$ বা ইথিন ($\text{C}_2\text{H}_4$) অণুর বিশ্লেষণ:
ইথিন অণুতে প্রতিটি কার্বন পরমাণু ২টি হাইড্রোজেন পরমাণুর সাথে $\sigma$ বন্ধন এবং অপর কার্বনের সাথে ১টি $\sigma$ ও ১টি $\pi$ বন্ধন দ্বারা যুক্ত থাকে (অর্থাৎ $\text{H}_2\text{C} = \text{CH}_2$)।
* সংকরায়ণ মেকানিজম: উত্তেজিত কার্বন পরমাণুর ১টি $2s$, ১টি $2p_x$ এবং ১টি $2p_y$ অরবিটাল একত্রে মিশ্রিত হয়ে ৩টি সমশক্তিসম্পন্ন $sp^2$ সংকর অরবিটাল তৈরি করে। অবশিষ্টাংশ $2p_z$ অরবিটালটি অসংকরিত থেকে যায় এবং পাশাপাশি ওভারল্যাপ করে ১টি $\pi$ বন্ধন গঠন করে।
* জ্যামিতিক আকৃতি ও কোণ: এই ৩টি $sp^2$ সংকর অরবিটাল একটি ত্রিমাত্রিক তলে সুষমভাবে বিন্যস্ত হয়ে ত্রিকোণাকার সমতলীয় (Trigonal Planar) আকৃতি ধারণ করে। এদের মধ্যবর্তী পারস্পরিক বিকর্ষণ সর্বনিম্ন রাখার জন্য অরবিটালসমূহ পরস্পরের সাথে ১২০° কোণে বিন্যস্ত থাকে।
* বন্ধন কোণ: আদর্শ তাত্ত্বিক নিয়মানুযায়ী $\angle\text{H}-\text{C}-\text{H}$ বা $\angle\text{H}-\text{C}-\text{C}$ বন্ধন কোণের মান $= 120^\circ$।

সংকরায়ণ ও বন্ধন কোণের তুলনামূলক টেবিল:

যৌগের সংকেত	বাস্তব নাম	কেন্দ্রীয় পরমাণুর সংকরায়ণ	অণুর জ্যামিতিক আকৃতি	বাস্তব বন্ধন কোণ
$\text{E}_2\text{A}_2$ ($\text{C}_2\text{H}_2$)	ইথাইন (অ্যাসিটিলিন)	$sp$	সরলরৈখিক (Linear)	180°
$\text{E}_2\text{A}_4$ ($\text{C}_2\text{H}_4$)	ইথিন (ইথিলিন)	$sp^2$	সমতলীয় ত্রিকোণাকার	120°

গাণিতিক সিদ্ধান্ত:
১. $\text{E}_2\text{A}_2$ যৌগে কার্বন পরমাণুটি $sp$ সংকরায়ণে অংশগ্রহণ করায় এর অরবিটালসমূহের অক্ষীয় কোণ সর্বোচ্চ দূরত্বে ১৮০° বজায় রাখে।
২. অন্যদিকে, $\text{E}_2\text{A}_4$ যৌগে কার্বন পরমাণুটি $sp^2$ সংকরায়ণে লিপ্ত থাকায় এর অরবিটালসমূহ ত্রিকোণাকার সমতলে বিভক্ত হয়ে ১২০° কোণ তৈরি করে।

অতএব, সুনির্দিষ্ট অরবিটাল সংকরায়ণ মেকানিজম বিশ্লেষণের ভিত্তিতে এটি সুষ্পষ্টভাবে প্রমাণিত হয় যে, কেন্দ্রীয় কার্বন পরমাণুর সংকরায়ণের মৌলিক তারতম্যের কারণেই যৌগ দুটির বন্ধন কোণের এই দৃশ্যমান ভিন্নতা ঘটে।