ID#7165 HSC Chemistry 2nd CQ (Dhaka 2023)

ক) জারণ সংখ্যা কী?

যৌগ গঠনের সময় কোনো পরমাণু যতগুলো ইলেকট্রন বর্জন করে ধনাত্মক আধান প্রাপ্ত হয় বা যতগুলো ইলেকট্রন গ্রহণ করে ঋণাত্মক আধান প্রাপ্ত হয়, পরমাণুতে সৃষ্ট সেই আধানের সংখ্যাকে তার জারণ সংখ্যা বলে।

খ) মোলারিটি তাপমাত্রার উপর নির্ভরশীল— ব্যাখ্যা করো।

স্থির তাপমাত্রায় প্রতি লিটার (বা $1000\text{ mL}$) দ্রবণে দ্রবীভূত দ্রব্যের মোল সংখ্যাকে ওই দ্রবণের মোলারিটি বলে। গাণিতিকভাবে, $\text{Molarity } (S) = \frac{n}{V}$; যেখানে $n = \text{দ্রব্যের মোল সংখ্যা}$ এবং $V = \text{দ্রবণের আয়তন}$।

পদার্থবিজ্ঞানের নিয়মানুযায়ী, তরল পদার্থের আয়তন তাপমাত্রার পরিবর্তনের সাথে পরিবর্তিত হয়; অর্থাৎ তাপমাত্রা বৃদ্ধি করলে দ্রবণের মোট আয়তন বৃদ্ধি পায় এবং তাপমাত্রা হ্রাস করলে আয়তন হ্রাস পায়। যেহেতু মোলারিটি সূত্রানুসারে দ্রবণের আয়তনের সাথে ব্যস্তানুপাতিক সম্পর্কযুক্ত ($\text{Molarity } \propto \frac{1}{\text{Volume}}$), সেহেতু তাপমাত্রা পরিবর্তনের সাথে সাথে দ্রবণের আয়তন বদলে যাওয়ার কারণে দ্রব্যের মোল সংখ্যা অপরিবর্তিত থাকলেও মোলারিটির মান পরিবর্তিত হয়ে যায়। এই সুনির্দিষ্ট গাণিতিক ও ভৌত বৈশিষ্ট্যের কারণেই মোলারিটি তাপমাত্রার ওপর নির্ভরশীল।

গ) উদ্দীপকের A যৌগের পলিমারককরণে উৎপন্ন যৌগটির অসম্পৃক্ততা B যৌগের মত নয় কেন? ব্যাখ্যা করো।

উদ্দীপকের রাসায়নিক বিক্রিয়া ও রূপান্তর হতে সর্বাগ্রে অণু দুটিকে সুনির্দিষ্টভাবে শনাক্ত করি:
* ক্যালসিয়াম কার্বাইডের সাথে পানির বিক্রিয়ায় উৎপন্ন 'A' যৌগটি হলো ইথাইন বা অ্যাসিটিলিন ($\text{C}_2\text{H}_2$)।
$$\text{CaC}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CH}\equiv\text{CH } \mathbf{[A]} + \text{Ca(OH)}_2$$
* লিন্ডলার প্রভাবকের ($\text{Pd}-\text{BaSO}_4$) উপস্থিতিতে ইথাইনের আংশিক হাইড্রোজেনেশনে উৎপন্ন 'B' যৌগটি হলো ইথিন বা ইথিলিন ($\text{C}_2\text{H}_4$)।
$$\text{CH}\equiv\text{CH } \mathbf{[A]} + \text{H}_2 \xrightarrow{\text{Pd}-\text{BaSO}_4} \text{CH}_2=\text{CH}_2 \mathbf{[B]}$$

ইথাইন (A) যৌগের ৩টি অণুকে লোহিত তপ্ত আয়রন নলের ভেতর দিয়ে $450^\circ\text{C}-500^\circ\text{C}$ তাপমাত্রায় চালনা করলে এর ত্রিমুখী পলিমারকরণের মাধ্যমে বেনজিন ($\text{C}_6\text{H}_6$) উৎপন্ন হয়:
$$3\text{C}_2\text{H}_2 \xrightarrow{\text{Fe}, 450^\circ\text{C}-500^\circ\text{C}} \text{C}_6\text{H}_6 \text{ [বেনজিন]}$$

এই উৎপন্ন বেনজিন এবং উদ্দীপকের B যৌগ তথা ইথিন ($\text{CH}_2=\text{CH}_2$) উভয়ই অসম্পৃক্ত হাইড্রোকার্বন হওয়া সত্ত্বেও এদের অসম্পৃক্ততার প্রকৃতি ও রাসায়নিক আচরণ সম্পূর্ণ ভিন্ন। নিচে এর মূল কারণসমূহ নিখুঁতভাবে বিশ্লেষণ করা হলো:

১. ইথিন (B যৌগ) এর এলিফ্যাটিক অসম্পৃক্ততা:
ইথিন অণুতে একটি সুনির্দিষ্ট কার্বন-কার্বন দ্বিবন্ধন ($\text{C}=\text{C}$) বিদ্যমান, যার মধ্যে একটি শক্তিশালী সিগমা ($\sigma$) বন্ধন এবং অপরটি দুর্বল পাই ($\pi$) বন্ধন। এই পাই বন্ধনের ইলেকট্রন মেঘ দুটি কার্বন পরমাণুর মাঝে নির্দিষ্টভাবে সীমাবদ্ধ (Localized) থাকে। ফলে এটি অত্যন্ত সহজে ব্রোমিন দ্রবণ ($\text{Br}_2/\text{CCl}_4$) বা ক্ষারীয় পটাশিয়াম পারম্যাঙ্গানেট ($\text{KMnO}_4$) দ্রবণের সাথে অতি দ্রুত জুতো বা সংযোজন বিক্রিয়া প্রদর্শন করে বর্ণহীন যৌগ গঠন করে।

২. বেনজিন (A এর পলিমার) এর অ্যারোমেটিক অসম্পৃক্ততা:
বেনজিন একটি অ্যারোমেটিক যৌগ। হাকেল নীতি অনুযায়ী এর বলয়ে $6$টি ডিলোক্যালাইজড বা সঞ্চারণশীল পাই ($\pi$) ইলেকট্রন মেঘ বিদ্যমান থাকে। এই পাই ইলেকট্রনগুলো কোনো নির্দিষ্ট কার্বনে সীমাবদ্ধ না থেকে পুরো বলয়ে চক্রাকারে আবর্তিত হয়ে একটি সুস্থিত পাই-আণবিক অরবিটাল গঠন করে, যাকে রেজোন্যান্স স্থায়িত্ব (Resonance Energy) বলা হয়।

এই বিশেষ রেজোন্যান্স সুস্থিতির কারণে বেনজিন বলয়ের দ্বিবন্ধনগুলো ইথিনের মতো সাধারণ অসম্পৃক্ততা প্রদর্শন করে না। এটি সহজে ব্রোমিন পানি বা বেয়ার পরীক্ষার মৃদু জারকের সাথে কোনো সংযোজন বিক্রিয়া দেয় না, যা ইথিন অত্যন্ত অনায়াসে দেয়। বরং বেনজিন তার বলয়ের সুস্থিতি বজায় রাখার স্বার্থে প্রধানত ইলেকট্রনকর্ষী প্রতিস্থাপন বিক্রিয়া প্রদর্শন করে।

উত্তর: বেনজিনের ডিলোক্যালাইজড পাই ইলেকট্রনজনিত বিশেষ অ্যারোমেটিক সুস্থিতির কারণেই এর অসম্পৃক্ততার রাসায়নিক প্রকৃতি ইথিন (B) যৌগের মতো লোক্যালাইজড এলিফ্যাটিক অসম্পৃক্ততার অনুরূপ হয় না।

---

ঘ) উদ্দীপকের A ও B যৌগের মধ্যে কোনটি অম্লধর্মী সমীকরণসহ বিশ্লেষণ করো।

উদ্দীপক হতে প্রাপ্ত 'A' যৌগটি হলো ইথাইন ($\text{CH}\equiv\text{CH}$) যা একটি অ্যালকাইন-১ এবং 'B' যৌগটি হলো ইথিন ($\text{CH}_2=\text{CH}_2$) যা একটি অ্যালকিন।

এই যৌগ দুটির মধ্যে ইথাইন (A) যৌগটি স্পষ্ট অম্লধর্মী, কিন্তু ইথিন (B) অম্লধর্মী নয়। অরবিটালের সংকরায়ণ এবং তড়িৎঋণাত্মকতার আণবিক মেকানিজমের সাহায্যে নিচে এর সুনির্দিষ্ট কারণ সমীকরণসহ বিশ্লেষণ করা হলো:

১. সংকরায়ণ ও 's' চরিত্রের প্রভাব:
* ইথাইন ($\text{A}$ যৌগ): ইথাইন অণুর কার্বন পরমাণুদ্বয় $sp$ সংকরায়িত। এতে $s$ অরবিটালের চরিত্র বা অংশ থাকে মোট $50\%$।
* ইথিন ($\text{B}$ যৌগ): ইথিন অণুর কার্বন পরমাণুদ্বয় $sp^2$ সংকরায়িত। এতে $s$ অরবিটালের চরিত্র বা অংশ থাকে মাত্র $33.33\%$।

কোয়ান্টাম রসায়নের নিয়মানুযায়ী, কোনো সংকর অরবিটালে $s$-চরিত্রের শতকরা হার যত বেশি হয়, সেই অরবিটালের ইলেকট্রন মেঘ নিউক্লিয়াসের তত নিকটে অবস্থান করে। ফলে ওই কার্বন পরমাণুর নিউক্লিয়াসের ধনাত্মক চার্জের আকর্ষণ বল বৃদ্ধি পায়, অর্থাৎ কার্বনের তড়িৎঋণাত্মকতা (Electronegativity) বহুগুণ বেড়ে যায়।

২. $\text{C}-\text{H}$ বন্ধনের মেরুকরণ ও প্রোটন মুক্তকরণ:
$sp$ সংকরায়ণের কারণে ইথাইনের কার্বনের তড়িৎঋণাত্মকতা এত বেশি হয় যে, এটি কার্বন-হাইড্রোজেন সিগমা ($\text{C}-\text{H}$) বন্ধনের শেয়ারকৃত ইলেকট্রন জোড়কে তীব্রভাবে নিজের দিকে টেনে নেয়। এর ফলে $\text{C}-\text{H}$ বন্ধনটি অত্যন্ত পোলার বা মেরুকৃত হয়ে পড়ে এবং হাইড্রোজেনের ওপর আংশিক ধনাত্মক আধান ($\delta^+$) সৃষ্টি হয়। এই দুর্বল হয়ে পড়া হাইড্রোজেন পরমাণুটিকে যেকোনো তীব্র ক্ষার দ্বারা সহজেই প্রোটন ($\text{H}^+$) হিসেবে অপসারিত করা সম্ভব হয়। প্রোটন দান করার এই অনন্য ক্ষমতার কারণেই ইথাইন অম্লধর্ম প্রদর্শন করে।

অপরপক্ষে, ইথিনের কার্বন $sp^2$ সংকরায়িত হওয়ায় এর তড়িৎঋণাত্মকতা তুলনামূলক কম থাকে। ফলে এর $\text{C}-\text{H}$ বন্ধন মেরুকৃত হয় না এবং এটি কোনো প্রোটন মুক্ত করতে পারে না।

৩. অম্লধর্মের সপক্ষে রাসায়নিক সমীকরণসমূহ:
ইথাইনের অম্লধর্মের চূড়ান্ত প্রমাণ মেলে এর সাথে বিভিন্ন ধাতুর প্রতিস্থাপন বিক্রিয়ার মাধ্যমে:
* সোডিয়াম ধাতুর সাথে বিক্রিয়া: তরল অ্যামোনিয়ার উপস্থিতিতে ইথাইনের মধ্যে টুকরো সোডিয়াম ($\text{Na}$) ধাতু যোগ করলে এটি $\text{C}-\text{H}$ বন্ধনের হাইড্রোজেনকে প্রতিস্থাপিত করে সোডিয়াম অ্যাসিটাইলবাইড বা ডাইসোডিয়াম ইথাইনাইড লবণ এবং হাইড্রোজেন গ্যাস উৎপন্ন করে।
$$\text{CH}\equiv\text{CH} + 2\text{Na} \xrightarrow{\text{Liquid NH}_3} \text{Na}-\text{C}\equiv\text{C}-\text{Na} \text{ [ডাইসোডিয়াম ইথাইনাইড]} + \text{H}_2 (g) \uparrow$$

* ডায়ামিন সিলভার নাইট্রেট বা টলেন বিকারকের সাথে বিক্রিয়া: ইথাইনের মধ্যে অ্যামোনিয়াকাল সিলভার নাইট্রেট দ্রবণ যোগ করলে সিলভার আয়ন দ্বারা হাইড্রোজেন প্রতিস্থাপিত হয়ে সিলভার অ্যাসিটাইললাইডের সাদা অধঃক্ষেপ ($\text{White precipitate}$) পড়ে।
$$\text{CH}\equiv\text{CH} + 2[\text{Ag(NH}_3)_2]\text{OH} \rightarrow \text{Ag}-\text{C}\equiv\text{C}-\text{Ag} \downarrow \text{ [সাদা অধঃক্ষেপ]} + 4\text{NH}_3 + 2\text{H}_2\text{O}$$

বিশ্লেষণাত্মক সিদ্ধান্ত: ইথিন (B) এই ধরনের কোনো ধাতব প্রতিস্থাপন বা প্রোটন ত্যাগের বিক্রিয়া প্রদর্শন করে না। সুতরাং, $sp$ সংকরায়িত উচ্চ তড়িৎঋণাত্মক কার্বনের উপস্থিতির দরুণ উদ্দীপকের A যৌগটি (ইথাইন) অম্লধর্মী এবং B যৌগটি (ইথিন) নিরপেক্ষ।