সৃজনশীলঃ ‘…’ ঢাকা কলেজ ২০২৬ – পরিবেশ রসায়ন, রসায়ন, রসায়ন ২য় পত্র (এইচএসসি)

মিথেন ($C{H}_4$) অণুর কেন্দ্রীয় কার্বন ($C$) পরমাণুতে $s{p}^3$ সংকরায়ণ ঘটে। কার্বনের চারটি সমশক্তির $s{p}^3$ হাইব্রিড অরবিটালের সাথে ৪টি হাইড্রোজেন ($H$) পরমাণুর $1s$ অরবিটাল অধিক্রমণ করে চারটি $C-H$ সিগমা ($\sigma$) বন্ধন গঠন করে।মিথেন অণুর আকৃতি সুষম চতুস্তলকীয়, যেখানে প্রতিটি $C-H$ বন্ধনের দৈর্ঘ্য এবং যেকোনো দুটি বন্ধনের মধ্যবর্তী কোণ (${109.5}^{\circ }$) সম্পূর্ণ সমান। প্রতিটি হাইড্রোজেন পরমাণু কার্বন থেকে সমান দূরত্বে এবং হুবহু একই রাসায়নিক পরিবেশে অবস্থান করে। যেহেতু ৪টি হাইড্রোজেনই কার্বনের চারপাশে জ্যামিতিক ও রাসায়নিকভাবে অভিন্ন অবস্থায় থাকে, তাই মিথেনের সকল হাইড্রোজেন পরমাণু সমতুল।

দেওয়া আছে,
নলের মোট দৈর্ঘ্য, $L=1\text{ m}=100\text{ cm}$
$HCl$ গ্যাস প্রান্ত থেকে উৎপন্ন সাদা ধোঁয়ার ($N{H}_{4}Cl$) দূরত্ব, $d_{HCl}=60\text{ cm}$
সুতরাং, $N{H}_3$ গ্যাস প্রান্ত থেকে উৎপন্ন সাদা ধোঁয়ার দূরত্ব, $d_{N{H}_3}=(100-60)\text{ cm}=40\text{ cm}$

$HCl$ এর আণবিক ভর, $M_{HCl}=1+35.5=36.5{\text{ g mol}}^{-1}$
$N{H}_3$ এর আণবিক ভর, $M_{N{H}_3}=14+3=17{\text{ g mol}}^{-1}$

$N{H}_3$ গ্যাসের চাপ, $P_{N{H}_3}=1\text{ atm}$ (কিছু উল্লেখ না থাকায় প্রমাণ চাপ ধরা হলো)
$HCl$ গ্যাসের চাপ, $P_{HCl}=P\text{ atm}$

আমরা জানি,
ভিন্ন চাপে গ্রাহামের ব্যাপন সূত্রানুসারে, গ্যাসের ব্যাপন হার তার চাপের সমানুপাতিক এবং আণবিক ভরের বর্গমূলের ব্যস্তানুপাতিক। অর্থাৎ, $r\propto \frac{P}{\sqrt{M}}$।

আবার, নির্দিষ্ট সময়ে অতিক্রান্ত দূরত্ব ব্যাপন হারের সমানুপাতিক ($r\propto d$)।
সুতরাং,

$\frac{r_{HCl}}{r_{N{H}_3}}=\frac{d_{HCl}}{d_{N{H}_3}}=\frac{P_{HCl}}{P_{N{H}_3}}\times \sqrt{\frac{M_{N{H}_3}}{M_{HCl}}}$

$\Rightarrow \frac{60}{40}=\frac{P}{1}\times \sqrt{\frac{17}{36.5}}$

$\Rightarrow 1.5=P\times \sqrt{0.4657}$

$\Rightarrow 1.5=P\times 0.6824$

$\Rightarrow P=\frac{1.5}{0.6824}$

$\therefore P=2.198\text{ atm}$

উত্তর: উদ্দীপকে প্রদত্ত $P$ এর মান $2.198\text{ atm}$।

উদ্দীপকের গ্যাস দুটি হলো অ্যামোনিয়া ($N{H}_3$) এবং হাইড্রোজেন ক্লোরাইড ($HCl$)। নিচে বিভিন্ন এসিড-ক্ষার মতবাদের আলোকে এদের প্রকৃতি বিশ্লেষণ করা হলো:

১. ব্রনস্টেড-লাউরি মতবাদ (প্রোটনীয় মতবাদ):
এই মতবাদ অনুসারে, যে পদার্থ প্রোটন ($H^{+}$) দান করতে পারে তা এসিড এবং যে পদার্থ প্রোটন গ্রহণ করতে পারে তা ক্ষারক। বিক্রিয়াকালে উৎপন্ন আয়নের সাথে এদের অনুবন্ধী এসিড-ক্ষারক যুগল গঠিত হয়। বিক্রিয়াটি নিচে দেখানো হলো:
$N{H}_3\left(g\right)+HCl\left(g\right)\rightleftharpoons N{H}_4^{+}\left(s\right)+C{l}^{-}\left(s\right)$
[এখানে,
$N{H}_3$ হলো ক্ষারক,
$HCl$ হলো এসিড,
${\mathrm{NH}}_4^{+}$ হলো অনুবন্ধী এসিড এবং
$C{l}^{-}$হলো অনুবন্ধী ক্ষারক]

বিক্রিয়াকালে $HCl$ একটি প্রোটন ($H^{+}$) $N{H}_3$ কে দান করে নিজে ক্লোরাইড আয়নে ($C{l}^{-}$) পরিণত হয়। তাই $HCl$ একটি এসিড। অপরদিকে, $N{H}_3$ সেই প্রোটন গ্রহণ করে অ্যামোনিয়াম আয়নে ($N{H}_4^{+}$) পরিণত হয়, তাই $N{H}_3$ একটি ক্ষারক।

২. লুইস মতবাদ (ইলেকট্রনীয় মতবাদ):
এই মতবাদ অনুসারে, যে পদার্থ জোড় ইলেকট্রন দান করতে পারে তা লুইস ক্ষারক। $N{H}_3$ অণুর কেন্দ্রীয় নাইট্রোজেন ($N$) পরমাণুতে এক জোড়া মুক্তজোড় ইলেকট্রন (Lone pair electron) রয়েছে। এটি ঐ মুক্তজোড় ইলেকট্রন দান করে প্রোটনের ($H^{+}$) সাথে সন্নিবেশ সমযোজী বন্ধন গঠন করতে পারে। তাই ইলেকট্রন জোড় দাতা হিসেবে $N{H}_3$ একটি লুইস ক্ষারক।
$H_3\ddot{N}+H^{+}\to N{H}_4^{+}$

৩. আরহেনিয়াস মতবাদ:
এই মতবাদ অনুসারে, যেসব পদার্থ জলীয় দ্রবণে বিয়োজিত হয়ে হাইড্রোজেন আয়ন ($H^{+}$) দান করে, তারা এসিড। $HCl$ গ্যাসকে পানিতে দ্রবীভূত করলে এটি বিয়োজিত হয়ে $H^{+}$ আয়ন দান করে। তাই আরহেনিয়াস মতবাদ অনুসারে $HCl$ একটি এসিড।
$HCl\left(aq\right)\to H^{+}\left(aq\right)+C{l}^{-}\left(aq\right)$

বিশ্লেষণ হতে দেখা যায়, ব্রনস্টেড-লাউরি ও আরহেনিয়াস মতবাদ অনুসারে $HCl$ একটি এসিড এবং ব্রনস্টেড-লাউরি ও লুইস মতবাদ অনুসারে $N{H}_3$ একটি ক্ষারক।