ID#7155 HSC Chemistry 1st CQ (Mymensingh 2023)

ক) অরবিটালের সংজ্ঞা দাও।

পরমাণুর অভ্যন্তরে নিউক্লিয়াসের চারদিকে ত্রিমাত্রিক মহাশূন্যের যে সুনির্দিষ্ট অঞ্চলে কোনো নির্দিষ্ট শক্তির ইলেকট্রন পাওয়ার সম্ভাবনা সর্বাধিক (প্রায় ৯৫%) থাকে, সেই ইলেকট্রন মেঘের ঘনত্ববিশিষ্ট অঞ্চলকে অরবিটাল বলে।

খ) HCl অপেক্ষা HBr অধিক সবল এসিড— ব্যাখ্যা করো।

হাইড্রাসিডসমূহের ($\text{HCl, HBr}$) অম্লীয় তীব্রতা প্রধানত কেন্দ্রীয় হ্যালোজেন পরমাণুর আকার এবং $\text{H}-\text{X}$ বন্ধন বিয়োজন শক্তির ওপর নির্ভর করে।

হ্যালোজেন গ্রুপে ক্লোরিন অপেক্ষা ব্রোমিনের পারমাণবিক আকার বা ব্যাসার্ধ বড় ($\text{Cl} < \text{Br}$)। হ্যালোজেন পরমাণুর আকার যত বড় হয়, তার সাথে যুক্ত হাইড্রোজেনের বন্ধন দৈর্ঘ্য তত বৃদ্ধি পায় এবং বন্ধনটি তত দুর্বল হয়। ফলে $\text{HCl}$ অপেক্ষা $\text{HBr}$ এর বন্ধন বিয়োজন শক্তি অনেক কম হয়। বন্ধন দুর্বল হওয়ার কারণে জলীয় দ্রবণে $\text{HBr}$ অত্যন্ত সহজে ভেঙে গিয়ে মুক্ত হাইড্রোজেন আয়ন ($\text{H}^+$) দান করতে পারে। যেহেতু যে অ্যাসিড যত দ্রুত ও সহজে $\text{H}^+}$ আয়ন মুক্ত করে, তার অম্লীয় তীব্রতা তত বেশি, তাই $\text{HCl}$ অপেক্ষা $\text{HBr}$ অধিক সবল অ্যাসিড।

গ) সংকরায়নের সাহায্যে $H_2B$ এর গঠন ব্যাখ্যা করো।

উদ্দীপকের পর্যায় সারণির সংক্ষিপ্ত রূপ হতে 'B' মৌলটি শনাক্ত করি:
* 'B' মৌলটি ৩য় পর্যায়ের গ্রুপ-১৬ (বা VIA) এর অন্তর্ভুক্ত। সুতরাং, মৌলটি হলো সালফার ($\text{S}$, পারমাণবিক সংখ্যা = ১৬)।
* অতএব, $\text{H}_2\text{B}$ সংকেতের প্রকৃত যৌগটি হলো হাইড্রোজেন সালফাইড ($\text{H}_2\text{S}$)।

নিচে সংকরায়ণ ধারণার আলোকে $\text{H}_2\text{S}$ অণুর জ্যামিতিক গঠন পুঙ্খানুপুঙ্খ ব্যাখ্যা করা হলো:

১. কেন্দ্রীয় সালফার পরমাণুর ইলেকট্রন বিন্যাস ও সংকরণ:
স্বাভাবিক অবস্থায় সালফারের ইলেকট্রন বিন্যাস: $_{16}\text{S} \rightarrow 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p_x^2 3p_y^1 3p_z^1$

যৌগ গঠনকালে সালফার পরমাণুর যোজনী শেলের (৩য় শক্তিস্তর) ১টি $3s$ এবং ৩টি $3p$ অরবিটাল পরস্পরের সাথে মিশ্রিত হয়ে সমশক্তিসম্পন্ন এবং সমআকৃতির ৪টি সংকর অরবিটাল উৎপন্ন করে। এই প্রক্রিয়াকে $sp^3$ সংকরণ বলে। উৎপন্ন ৪টি $sp^3$ সংকর অরবিটালের মধ্যে ২টিতে একজোড়া করে ইলেকট্রন অর্থাৎ মোট ২টি মুক্তজোড় (Lone Pair) ইলেকট্রন থাকে এবং বাকি ২টিতে ১টি করে অযুগ্ম বা বেজোড় ইলেকট্রন থাকে।

২. সিগমা বন্ধন গঠন প্রক্রিয়া:
হাইড্রোজেনের ইলেকট্রন বিন্যাস হলো: $_1\text{H} \rightarrow 1s^1$
সালফারের ২টি বেজোড় ইলেকট্রনযুক্ত $sp^3$ সংকর অরবিটাল ২টি ভিন্ন হাইড্রোজেন পরমাণুর গোলকৃতির $1s$ অরবিটালের সাথে একই সরল অক্ষ বরাবর মুখোমুখি উপরিপাতন (Overlapping) ঘটায়। এর ফলে ২টি সুস্থিত $\text{S}-\text{H}$ সিগমা ($\sigma$) বন্ধন গঠিত হয়ে $\text{H}_2\text{S}$ অণু তৈরি হয়।

৩. জ্যামিতিক আকৃতি ও বন্ধন কোণ (VSEPR তত্ত্বের প্রভাব):
$sp^3$ সংকরণের কারণে অণুটির প্রারম্ভিক কাঠামো চতুস্তলকীয় হওয়ার কথা থাকলেও ভ্যালেন্স শেল ইলেকট্রন পেয়ার রিপালশন (VSEPR) তত্ত্ব অনুযায়ী এর আকৃতি পরিবর্তিত হয়। সালফারের যোজনী স্তরে ২টি মুক্তজোড় (LP) এবং ২টি বন্ধনজোড় (BP) ইলেকট্রন থাকে। আমরা জানি, $\text{LP}-\text{LP}$ বিকর্ষণ বল সবচেয়ে তীব্র হওয়ায় মুক্তজোড় দুটি পরস্পরের থেকে দূরে সরে যায় এবং সংলগ্ন $\text{S}-\text{H}$ বন্ধনজোড় দুটিকে ভেতরের দিকে তীব্রভাবে চেপে দেয় ($\text{LP}-\text{BP}$ বিকর্ষণ)।

এই তীব্র বিকর্ষণের কারণে বন্ধন কোণ আদর্শ চতুস্তলকীয় কোণ $109.5^\circ$ থেকে বহুগুণ সংকুচিত হয়ে $92.1^\circ$ এ নেমে আসে (উল্লেখ্য, সালফারের আকার বড় এবং তড়িৎঋণাত্মকতা কম হওয়ায় পানির $104.5^\circ$ অপেক্ষা এর কোণ অনেক কম হয়)। এর ফলে $\text{H}_2\text{S}$ অণুর চূড়ান্ত জ্যামিতিক আকৃতি একটি কৌণিক বা উল্টানো 'V' আকৃতির (Bent/V-shaped) রূপ ধারণ করে।

---

ঘ) C ও E দ্বারা গঠিত সালফেট যৌগের মধ্যে কোনটি রঙিন হবে? विश्लेषण করো।

উদ্দীপকের পর্যায় সারণির অবস্থান ও স্থানাঙ্ক হতে 'C' এবং 'E' মৌল দুটিকে সর্বাগ্রে নিখুঁতভাবে শনাক্ত করি:
* 'C' মৌলটি ৪র্থ পর্যায়ের গ্রুপ-৬ এর অন্তর্ভুক্ত। সুতরাং, মৌলটি হলো ডি-ব্লক অবস্থান্তর ধাতু ক্রোমিয়াম ($\text{Cr}$, পারমাণবিক সংখ্যা = ২৪)।
* 'E' মৌলটি ৪র্থ পর্যায়ের গ্রুপ-১২ এর অন্তর্ভুক্ত। সুতরাং, মৌলটি হলো ডি-ব্লক ধাতু জিঙ্ক ($\text{Zn}$, পারমাণবিক সংখ্যা = ৩০)।

ক্রোমিয়াম ($\text{Cr}$) এবং জিঙ্ক ($\text{Zn}$) দ্বারা গঠিত দুটি সালফেট যৌগ হলো যথাক্রমে ক্রোমিয়াম সালফেট [$\text{Cr}_2(\text{SO}_4)_3$] এবং জিঙ্ক সালফেট ($\text{ZnSO}_4$)।

নিম্নে ডি-অরবিটালের ইলেকট্রন বিন্যাস ও ক্রিস্টাল ফিল্ড তত্ত্বের (Crystal Field Theory) আলোকে কোন যৌগটি রঙিন হবে তা পুঙ্খানুপুঙ্খ বিশ্লেষণ করা হলো:

১. যৌগদ্বয়ে ধাতব আয়নের জারণ অবস্থা ও ইলেকট্রন বিন্যাস:
* $\text{Cr}_2(\text{SO}_4)_3$ যৌগে ক্রোমিয়ামের জারণ অবস্থা $+3$, অর্থাৎ আয়নটি হলো $\text{Cr}^{3+}$।
$_{24}\text{Cr} \rightarrow 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^5 4s^1$
$=> \text{Cr}^{3+} \rightarrow 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^3 4s^0$
এখানে $\text{Cr}^{3+}$ আয়নের $3d$ অরবিটালে ৩টি বেজোড় ইলেকট্রন রয়েছে ($3d^3$), অর্থাৎ এটি একটি অপূর্ণ $3d$ অরবিটালবিশিষ্ট অবস্থান্তর আয়ন।

* $\text{ZnSO}_4$ যৌগে জিঙ্কের জারণ অবস্থা $+2$, অর্থাৎ আয়নটি হলো $\text{Zn}^{2+}$।
$_{30}\text{Zn} \rightarrow 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10} 4s^2$
$=> \text{Zn}^{2+} \rightarrow 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^{10} 4s^0$
এখানে $\text{Zn}^{2+}$ আয়নের $3d$ অরবিটালটি ইলেকট্রন দ্বারা সম্পূর্ণরূপে পূর্ণ ($3d^{10}$), অর্থাৎ এতে কোনো অপূর্ণ বা বিজোড় ডি-অরবিটাল নেই।

২. রঙিন আয়ন গঠনের মেকানিজম ($d-d$ স্থানান্তর):
ক্রিস্টাল ফিল্ড তত্ত্ব অনুযায়ী, কোনো যৌগে লিগ্যান্ড বা অ্যানায়নের ($\text{SO}_4^{2-}$) সংস্পর্শে যখন ক্যাটায়নের সমশক্তিসম্পন্ন (Degenerate) পাঁচটি $3d$ অরবিটাল আসে, তখন স্থিরবৈদ্যুতিক বিকর্ষণের কারণে তারা দুটি ভিন্ন শক্তিমাত্রার অরবিটাল গ্রুপে বিভক্ত হয়ে পড়ে (Non-degenerate দশা)। উচ্চ শক্তির সেটকে $e_g$ এবং নিম্ন শক্তির সেটকে $t_{2g}$ বলে। এই দুই স্তরের শক্তির পার্থক্যকে $\Delta E$ দ্বারা প্রকাশ করা হয়।

* $\text{Cr}_2(\text{SO}_4)_3$ এর ক্ষেত্রে: যেহেতু $\text{Cr}^{3+}$ এর $3d$ অরবিটালটি অপূর্ণ ($3d^3$), সেহেতু নিম্ন শক্তির $t_{2g}$ স্তর থেকে ইলেকট্রন দৃশ্যমান অঞ্চলের নির্দিষ্ট তরঙ্গদৈর্ঘ্যের আলো শোষণ করে উচ্চ শক্তির $e_g$ স্তরে লাফিয়ে উঠতে পারে; একে $d-d$ ইলেকট্রন স্থানান্তর বলে। $\text{Cr}^{3+}$ আয়নটি দৃশ্যমান আলো থেকে হলুদ-কমলা বর্ণের আলো শোষণ করে এবং তার সম্পূরক বর্ণ হিসেবে সবুজ (Green) আলো বিকিরণ করে। এই কারণে ক্রোমিয়াম সালফেট যৌগটি উজ্জ্বল রঙিন (সবুজ) হয়।

* $\text{ZnSO}_4$ এর ক্ষেত্রে: $\text{Zn}^{2+}$ আয়নের $3d$ অরবিটালটি সম্পূর্ণ পূর্ণ ($3d^{10}$) থাকায় এর $t_{2g}$ এবং $e_g$ উভয় স্তরই ইলেকট্রন দ্বারা কানায় কানায় পূর্ণ থাকে। ফলে দৃশ্যমান আলোকরশ্মি শোষণ করে ইলেকট্রনের উচ্চ স্তরে যাওয়ার মতো কোনো খালি স্থান বা সুযোগ থাকে না। কোনো $d-d$ স্থানান্তর না ঘটায় এটি দৃশ্যমান আলোর কোনো অংশ শোষণ করে না এবং আপতিত সমস্ত আলো প্রতিফলিত করে দেয়। এই কারণে জিঙ্ক সালফেট যৌগটি সম্পূর্ণ বর্ণহীন বা সাদা (Colorless) হয়।

গাণিতিক ও তাত্ত্বিক সিদ্ধান্ত:
অবস্থিত অরবিটালের ইলেকট্রন বিন্যাসগত মৌলিক পার্থক্যের কারণে অপূর্ণ $3d^3$ কাঠামোযুক্ত ক্রোমিয়ামের সালফেট যৌগটি [$\text{Cr}_2(\text{SO}_4)_3$] দৃশ্যমান আলো শোষণের মাধ্যমে রঙিন হবে এবং সম্পূর্ণ পূর্ণ $3d^{10}$ কাঠামোযুক্ত জিঙ্কের সালফেট যৌগটি ($\text{ZnSO}_4$) বর্ণহীন বা সাদা হবে।