পাঠ ৫ / ১১অনুচ্ছেদ ২.৪, ২.৪.১

ইলেকট্রন বিন্যাসElectron configuration — Aufbau, Pauli & Hund

একটি পরমাণুর (atom) ইলেকট্রনগুলো (electrons) এলোমেলোভাবে থাকে না — প্রতিটি ইলেকট্রন সবচেয়ে কম শক্তির (energy) খালি জায়গাটি খুঁজে নেয়, ঠিক যেমন পানি সবচেয়ে নিচের জায়গায় গড়িয়ে যায়। নিচের “শক্তির ভবনে” একটি একটি করে ইলেকট্রন ছাড়ো। প্রতিটি তলা একটি উপস্তর (subshell), প্রতিটি বাক্স একটি অরবিটাল (orbital):

শুধু নিউক্লিয়াস (nucleus) — কোনো ইলেকট্রন (electron) নেই
—
শক্তি (energy)s উপস্তর (subshell)p উপস্তর (subshell)d উপস্তর (subshell)1s2s2p3s3p4s3d4p

নিউক্লিয়াস (nucleus) তৈরি। "ইলেকট্রন ছাড়ো (add electron)" চাপো — ইলেকট্রন (electron) সবচেয়ে নিচের খালি জায়গায় গিয়ে বসবে।

  1. আর্গন (argon, Z = 18) পর্যন্ত ইলেকট্রন (electrons) ছাড়ো — কোন ক্রমে তলাগুলো ভরছে?
  2. ১৯তম ইলেকট্রনের (electron) জায়গা আগে থেকে অনুমান (predict) করো।
  3. জিংক (zinc, Z = 30) পর্যন্ত যাও — 3d কখন ভরা শুরু হলো?

১৯তম ইলেকট্রন 3d-তে না গিয়ে 4s-এ গেল কেন, যখন 3 তো 4-এর চেয়ে ছোট? আর ক্রোমিয়াম (chromium, Cr) আর কপারে (copper, Cu) হঠাৎ একটি ইলেকট্রন লাফ দিয়ে 3d-তে চলে গেল কেন? এই পাঠে ধাপে ধাপে এর উত্তর খুঁজব:

  1. ইলেকট্রন বিন্যাস (electron configuration) কী — লেখার নিয়ম ও বক্স চিত্র (box diagram)
  2. আউফবাউ নীতি (Aufbau principle) ও (n + l) নিয়ম (n + l rule)
  3. পাউলির বর্জন নীতি (Pauli exclusion principle)
  4. হুন্ডের নিয়ম (Hund’s rule)
  5. বিন্যাস লেখা — নিষ্ক্রিয় গ্যাস কোর (noble-gas core)
  6. ব্যতিক্রম (exception): Cr ও Cu
  7. আয়নের (ion) ইলেকট্রন বিন্যাস
  8. অযুগ্ম ইলেকট্রন (unpaired electron) ও চুম্বকত্ব (magnetism)
  9. এবার নিজে করে দেখো — সিমুলেশন (simulation)

ধাপ ১: ইলেকট্রন বিন্যাস কী

আগের পাঠ — কোয়ান্টাম সংখ্যা (quantum numbers) ও অরবিটাল — থেকে মনে করো: প্রতিটি শেলে (shell, n) কয়েকটি উপস্তর (s, p, d, f); s-এ ১টি, p-তে ৩টি, d-তে ৫টি, f-এ ৭টি অরবিটাল; আর প্রতিটি অরবিটালে সর্বোচ্চ ২টি ইলেকট্রন।

পরমাণুর ইলেকট্রনগুলো কোন কোন অরবিটালে কীভাবে সাজানো আছে, তাকে বলে ইলেকট্রন বিন্যাস (electron configuration)। সবচেয়ে কম শক্তির যে বিন্যাস, সেটি ভূমি অবস্থা (ground state)। দুইভাবে লেখা হয়:

Oঅক্সিজেন (oxygen), Z = 8
↑↓
1s
↑↓
2s
↑↓↑↑
2p
1s² 2s² 2p⁴ · অযুগ্ম (unpaired) 2
অক্সিজেন (oxygen, O, Z = 8): 1s² 2s² 2p⁴। 1s ও 2s পূর্ণ (filled); 2p-র তিনটি বাক্সে (box) চারটি ইলেকট্রন (electrons)।
নিজে যাচাই করো

3p⁴ লেখাটির মানে কী?

ধাপ ২: আউফবাউ নীতি ও (n + l) নিয়ম

“আউফবাউ” (Aufbau) একটি জার্মান শব্দ, অর্থ “গড়ে তোলা” (building up)। নীতিটি হলো:

ইলেকট্রন প্রথমে সবচেয়ে কম শক্তির অরবিটালে প্রবেশ করে; সেটি পূর্ণ হলে পরের উচ্চতর শক্তির অরবিটালে যায়।

হাইড্রোজেনে (hydrogen) শক্তি শুধু n-এর ওপর নির্ভর করে। কিন্তু একাধিক ইলেকট্রনের পরমাণুতে ভেতরের ইলেকট্রনগুলো নিউক্লিয়াসের (nucleus) আকর্ষণ (attraction) খানিকটা আড়াল করে (আবরণ, shielding)। s ইলেকট্রন নিউক্লিয়াসের খুব কাছেও যায় (ভেদন, penetration), তাই বেশি আকর্ষণ পায় — একই n-এর p ও d-এর চেয়ে তার শক্তি কম। 4s এত বেশি ভেদ করে যে পটাসিয়াম-ক্যালসিয়ামে (potassium, calcium) তার শক্তি 3d-এর চেয়েও নিচে নেমে যায়। শক্তির ক্রম মনে রাখার সহজ উপায় হলো (n + l) নিয়ম:

  1. যে উপস্তরের (n+l)(n + l) ছোট, তার শক্তি কম — সেটি আগে ভরে।
  2. দুটি উপস্তরের (n+l)(n + l) সমান হলে যার n ছোট, সেটি আগে ভরে।
উপস্তরnln + lসিদ্ধান্ত
4s404সবচেয়ে ছোট, তাই 4s সবার আগে
3d325n + l সমান, n ছোট — 3d আগে
4p4153d-এর পরে
5s5054p-এর পরে
4d4265s-এর পরে
123456781s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7pn + l
তীরগুলো ওপর থেকে নিচে একটার পর একটা অনুসরণ করো; প্রতিটি তীরের সব উপস্তরের (subshells) (n + l) সমান (ছোট সংখ্যাটি)। ভরাট হওয়ার ক্রম (filling order): 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p।

মনে রেখো: (n + l) নিয়ম একটি কার্যকর সহায়িকা, প্রকৃতির নিয়ম নয়। নিরপেক্ষ (neutral) পরমাণুর ভরাটের ক্রম (filling order) এটি ভালোভাবে বলে দেয়, কিন্তু কিছু ব্যতিক্রম আছে (ধাপ ৬), আর আয়নে ক্রম আলাদা (ধাপ ৭)।

নিজে যাচাই করো

রুবিডিয়ামের (rubidium, Rb, Z = 37) ৩৭তম ইলেকট্রন কোথায় যায় — 4d না 5s?

ধাপ ৩: পাউলির বর্জন নীতি

১৯২৫ সালে উলফগ্যাং পাউলি (Wolfgang Pauli) বললেন:

একটি পরমাণুর কোনো দুটি ইলেকট্রনের চারটি কোয়ান্টাম সংখ্যা (n, l, m, s) কখনো একই হতে পারে না।

একটি নির্দিষ্ট অরবিটাল মানে n, l, m তিনটি নির্দিষ্ট। তাই সেখানে দুটি ইলেকট্রন থাকলে তাদের s আলাদা হতেই হবে — একটি +12+\tfrac{1}{2} (↑), অন্যটি −12-\tfrac{1}{2} (↓)। s-এর যেহেতু মাত্র দুটি মান, একটি অরবিটালে সর্বোচ্চ ২টি ইলেকট্রন, বিপরীত স্পিনে (paired, ↑↓)। এখান থেকেই উপস্তরের ধারণক্ষমতা (capacity):

উপস্তরspdf
অরবিটাল1357
সর্বোচ্চ ইলেকট্রন261014

আর একটি শেলে সর্বোচ্চ 2n22n^2টি। উদাহরণ — হিলিয়ামের (helium) দুটি ইলেকট্রন: (1,0,0,+12)(1, 0, 0, +\tfrac{1}{2}) আর (1,0,0,−12)(1, 0, 0, -\tfrac{1}{2})। লিথিয়ামের (lithium) তৃতীয় ইলেকট্রনের জন্য 1s-এ আর কোনো সেট বাকি নেই — তাই সে 2s-এ যায়। পাউলির নীতি না থাকলে সব ইলেকট্রন 1s-এ গাদাগাদি করত, আর রসায়ন বলে কিছু থাকত না!

নিজে যাচাই করো

একই অরবিটালের দুটি ইলেকট্রনের n = 2, l = 1, m = 0। তাদের s-এর মান কী হবে?

ধাপ ৪: হুন্ডের নিয়ম

তিনটি 2p অরবিটালের শক্তি সমান — এদের বলে সমশক্তির (degenerate) অরবিটাল। নাইট্রোজেনের (nitrogen) তিনটি 2p ইলেকট্রন এদের মধ্যে কীভাবে বসবে? হুন্ডের (Friedrich Hund) নিয়ম:

সমশক্তির অরবিটালগুলোতে ইলেকট্রন প্রথমে একটি একটি করে আলাদা অরবিটালে বসে, সবার স্পিন একই দিকে (সমান্তরাল, parallel)। প্রতিটিতে একটি করে হয়ে যাওয়ার পরই জোড় বাঁধে (pair up)।

বাসের দুই-সিটের সারির কথা ভাবো: খালি সারি থাকলে যাত্রীরা আগে একা একা বসে, অপরিচিতের পাশে বসে পরে।

কেন? (১) আলাদা অরবিটালে থাকলে ইলেকট্রনগুলো স্থানে দূরে থাকে, তাই পারস্পরিক বিকর্ষণ (repulsion) কম। (২) সমান্তরাল স্পিনের ইলেকট্রনেরা কোয়ান্টাম বলবিদ্যার (quantum mechanics) একটি প্রভাবে পরস্পরকে আরও এড়িয়ে চলে — এতে যে বাড়তি শক্তি কমে তাকে বলে বিনিময় শক্তি (exchange energy)। দুটো মিলে এই বিন্যাসের শক্তি সবচেয়ে কম।

Cকার্বন (carbon), Z = 6
↑↓
1s
↑↓
2s
↑↑
2p
1s² 2s² 2p² · অযুগ্ম (unpaired) 2
Nনাইট্রোজেন (nitrogen), Z = 7
↑↓
1s
↑↓
2s
↑↑↑
2p
1s² 2s² 2p³ · অযুগ্ম (unpaired) 3
N ✗ভুল: খালি অরবিটাল (orbital) থাকতে জোড় (pairing)
↑↓
1s
↑↓
2s
↑↓↑
2p
N ✗ভুল: স্পিন (spin) সমান্তরাল (parallel) নয়
↑↓
1s
↑↓
2s
↑↓↑
2p
Oঅক্সিজেন (oxygen), Z = 8
↑↓
1s
↑↓
2s
↑↓↑↑
2p
1s² 2s² 2p⁴ · অযুগ্ম (unpaired) 2
C, N, O-এর 2p। নাইট্রোজেনের (nitrogen) তিনটি ইলেকট্রন (electrons) তিনটি আলাদা বাক্সে (box), একই স্পিনে (same spin, ↑ ↑ ↑) — অন্য দুটি সাজানো হুন্ডের নিয়ম (Hund's rule) ভাঙে। অক্সিজেনে (oxygen) চতুর্থ ইলেকট্রনকে জোড় বাঁধতেই (pair up) হয়।
নিজে যাচাই করো

কার্বনের (carbon, C, 1s² 2s² 2p²) ভূমি অবস্থায় অযুগ্ম (unpaired) ইলেকট্রন কয়টি?

ধাপ ৫: বিন্যাস লেখা — নিষ্ক্রিয় গ্যাস কোর

যেকোনো মৌলের (element) বিন্যাস লেখার ধাপ:

  1. পারমাণবিক সংখ্যা (atomic number) Z = ইলেকট্রনের সংখ্যা (নিরপেক্ষ পরমাণুতে)।
  2. (n + l) ক্রমে উপস্তরগুলো পূর্ণ করো: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p …
  3. লেখার সময় একই n-এর উপস্তরগুলো একসঙ্গে, n-এর ক্রমে সাজাও।

যেমন আয়রন (iron, Fe, Z = 26): ভরাটের ক্রমে 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d61s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^6; n-এর ক্রমে লিখলে 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s21s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,3d^6\,4s^2। দুটি লেখার মানে একই।

ভেতরের পূর্ণ শেলগুলো প্রতিবার লেখা ঝামেলা। তাই আগের নিষ্ক্রিয় গ্যাসের (noble gas) প্রতীক (symbol) বন্ধনীতে (brackets) লিখে বাকিটুকু লেখা হয় — একে বলে নিষ্ক্রিয় গ্যাস কোর (noble-gas core) পদ্ধতি:

নিষ্ক্রিয় গ্যাসবিন্যাসউদাহরণ
[He] (Z = 2)1s21s^2Li = [He] 2s¹
[Ne] (Z = 10)[He] 2s2 2p62s^2\,2p^6Na = [Ne] 3s¹, Cl = [Ne] 3s² 3p⁵
[Ar] (Z = 18)[Ne] 3s2 3p63s^2\,3p^6K = [Ar] 4s¹, Fe = [Ar] 3d⁶ 4s²
[Kr] (Z = 36)[Ar] 3d10 4s2 4p63d^{10}\,4s^2\,4p^6Rb = [Kr] 5s¹

কোরের (core) বাইরের ইলেকট্রনগুলোই রাসায়নিক বিক্রিয়ায় (chemical reaction) অংশ নেয় — এরা যোজ্যতা ইলেকট্রন (valence electrons)।

প্রথম ৩৬টি মৌলের ইলেকট্রন বিন্যাস (টেবিল দেখতে চাপ দাও)
Zমৌল (element)বিন্যাস (configuration)অযুগ্ম (unpaired)
1H হাইড্রোজেন (hydrogen)1s¹1
2He হিলিয়াম (helium)1s²0
3Li লিথিয়াম (lithium)[He] 2s¹1
4Be বেরিলিয়াম (beryllium)[He] 2s²0
5B বোরন (boron)[He] 2s² 2p¹1
6C কার্বন (carbon)[He] 2s² 2p²2
7N নাইট্রোজেন (nitrogen)[He] 2s² 2p³3
8O অক্সিজেন (oxygen)[He] 2s² 2p⁴2
9F ফ্লোরিন (fluorine)[He] 2s² 2p⁵1
10Ne নিয়ন (neon)[He] 2s² 2p⁶0
11Na সোডিয়াম (sodium)[Ne] 3s¹1
12Mg ম্যাগনেসিয়াম (magnesium)[Ne] 3s²0
13Al অ্যালুমিনিয়াম (aluminium)[Ne] 3s² 3p¹1
14Si সিলিকন (silicon)[Ne] 3s² 3p²2
15P ফসফরাস (phosphorus)[Ne] 3s² 3p³3
16S সালফার (sulfur)[Ne] 3s² 3p⁴2
17Cl ক্লোরিন (chlorine)[Ne] 3s² 3p⁵1
18Ar আর্গন (argon)[Ne] 3s² 3p⁶0
19K পটাসিয়াম (potassium)[Ar] 4s¹1
20Ca ক্যালসিয়াম (calcium)[Ar] 4s²0
21Sc স্ক্যান্ডিয়াম (scandium)[Ar] 3d¹ 4s²1
22Ti টাইটানিয়াম (titanium)[Ar] 3d² 4s²2
23V ভ্যানাডিয়াম (vanadium)[Ar] 3d³ 4s²3
24Cr ক্রোমিয়াম (chromium)[Ar] 3d⁵ 4s¹ ব্যতিক্রম (exception)6
25Mn ম্যাঙ্গানিজ (manganese)[Ar] 3d⁵ 4s²5
26Fe আয়রন (লোহা) (iron)[Ar] 3d⁶ 4s²4
27Co কোবাল্ট (cobalt)[Ar] 3d⁷ 4s²3
28Ni নিকেল (nickel)[Ar] 3d⁸ 4s²2
29Cu কপার (তামা) (copper)[Ar] 3d¹⁰ 4s¹ ব্যতিক্রম (exception)1
30Zn জিংক (দস্তা) (zinc)[Ar] 3d¹⁰ 4s²0
31Ga গ্যালিয়াম (gallium)[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p¹1
32Ge জার্মেনিয়াম (germanium)[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p²2
33As আর্সেনিক (arsenic)[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p³3
34Se সেলেনিয়াম (selenium)[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴2
35Br ব্রোমিন (bromine)[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁵1
36Kr ক্রিপ্টন (krypton)[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁶0

হলুদ সারি দুটি (Cr, Cu) ব্যতিক্রম — পরের ধাপে।

নিজে যাচাই করো

সালফারের (sulfur, S, Z = 16) ইলেকট্রন বিন্যাস কোনটি?

ধাপ ৬: ব্যতিক্রম — Cr ও Cu

(n + l) নিয়ম অনুযায়ী ক্রোমিয়াম (Z = 24) হওয়ার কথা [Ar] 3d4 4s2[Ar]\,3d^4\,4s^2, আর কপার (Z = 29) [Ar] 3d9 4s2[Ar]\,3d^9\,4s^2। কিন্তু বর্ণালি (spectrum) থেকে মাপা আসল বিন্যাস:

Cr=[Ar] 3d5 4s1,Cu=[Ar] 3d10 4s1\text{Cr} = [\text{Ar}]\,3d^5\,4s^1, \qquad \text{Cu} = [\text{Ar}]\,3d^{10}\,4s^1

এখানে 3d আর 4s-এর শক্তি খুব কাছাকাছি। একটি 4s ইলেকট্রন 3d-তে সরে গেলে d উপস্তরটি অর্ধপূর্ণ (half-filled, d⁵) বা পূর্ণ (completely filled, d¹⁰) হয়, যা বিশেষভাবে স্থিতিশীল (stable):

সরানোর খরচ কম, লাভ বেশি — তাই আসল পরমাণু এই বিন্যাসটিই নেয়।

Cr ✗(n + l) নিয়মের অনুমান (n + l rule prediction)
[Ar]
↑↑↑↑
3d
↑↓
4s
Crআসল: অর্ধপূর্ণ (half-filled) 3d
[Ar]
↑↑↑↑↑
3d
↑
4s
[Ar] 3d⁵ 4s¹ · অযুগ্ম (unpaired) 6
Cu ✗(n + l) নিয়মের অনুমান (n + l rule prediction)
[Ar]
↑↓↑↓↑↓↑↓↑
3d
↑↓
4s
Cuআসল: পূর্ণ (filled) 3d
[Ar]
↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓
3d
↑
4s
[Ar] 3d¹⁰ 4s¹ · অযুগ্ম (unpaired) 1
Cr-এ ৬টি অযুগ্ম ইলেকট্রন (unpaired electrons; ৫টি 3d + ১টি 4s) — প্রথম ৩৬টি মৌলের (elements) মধ্যে সর্বোচ্চ। Cu-তে মাত্র ১টি।
নিজে যাচাই করো

ক্রোমিয়াম (Cr) পরমাণুতে কয়টি অযুগ্ম ইলেকট্রন আছে?

ধাপ ৭: আয়নের ইলেকট্রন বিন্যাস

ঋণাত্মক আয়ন (anion): পরমাণুর বিন্যাসের পর বাড়তি ইলেকট্রন (n + l) ক্রমেই যোগ হয়। Cl−=[Ne] 3s2 3p6\text{Cl}^- = [\text{Ne}]\,3s^2\,3p^6 (আর্গনের মতো, like argon), O2−=[He] 2s2 2p6\text{O}^{2-} = [\text{He}]\,2s^2\,2p^6।

ধনাত্মক আয়ন (cation): ইলেকট্রন সরে সবচেয়ে বাইরের শেল (সবচেয়ে বড় n) থেকে; একই n-এ আগে p, তারপর s। তাই অবস্থান্তর মৌলে (transition element) 4s-এর ইলেকট্রন 3d-এর আগে চলে যায় — যদিও 4s ভরেছিল আগে! কারণ 3d-তে ইলেকট্রন ঢোকার পর 3d-এর শক্তি 4s-এর নিচে নেমে যায়, আর 4s ইলেকট্রনগুলো নিউক্লিয়াস থেকে সবচেয়ে দূরে থাকে।

Fe=[Ar] 3d6 4s2  ⟶  Fe2+=[Ar] 3d6  ⟶  Fe3+=[Ar] 3d5\text{Fe} = [\text{Ar}]\,3d^6\,4s^2 \;\longrightarrow\; \text{Fe}^{2+} = [\text{Ar}]\,3d^6 \;\longrightarrow\; \text{Fe}^{3+} = [\text{Ar}]\,3d^5

Fe2+=[Ar] 3d4 4s2\text{Fe}^{2+} = [\text{Ar}]\,3d^4\,4s^2 লেখা একটি খুব সাধারণ ভুল। আরও উদাহরণ: Cu+=[Ar] 3d10\text{Cu}^{+} = [\text{Ar}]\,3d^{10}, Cu2+=[Ar] 3d9\text{Cu}^{2+} = [\text{Ar}]\,3d^{9}, Cr3+=[Ar] 3d3\text{Cr}^{3+} = [\text{Ar}]\,3d^{3}, Zn2+=[Ar] 3d10\text{Zn}^{2+} = [\text{Ar}]\,3d^{10}।

Feআয়রন (লোহা) (iron), Z = 26
[Ar]
↑↓↑↑↑↑
3d
↑↓
4s
[Ar] 3d⁶ 4s² · অযুগ্ম (unpaired) 4
Fe²⁺আগে 4s-এর দুটি ইলেকট্রন (electrons) গেল
[Ar]
↑↓↑↑↑↑
3d
4s
[Ar] 3d⁶ · অযুগ্ম (unpaired) 4
Fe³⁺তারপর একটি 3d থেকে — অর্ধপূর্ণ (half-filled) d⁵
[Ar]
↑↑↑↑↑
3d
4s
[Ar] 3d⁵ · অযুগ্ম (unpaired) 5
Fe³⁺-এর অর্ধপূর্ণ (half-filled) 3d⁵ বেশি স্থিতিশীল (stable), তাই Fe²⁺ লবণ (salt) বাতাসে সহজেই জারিত (oxidised) হয়ে Fe³⁺ হয়ে যায়।
নিজে যাচাই করো

ম্যাঙ্গানিজ (manganese, Mn, Z = 25) থেকে তৈরি Mn²⁺ আয়নের বিন্যাস কোনটি?

ধাপ ৮: অযুগ্ম ইলেকট্রন ও চুম্বকত্ব

বক্স চিত্রে যে তীরের জোড়া নেই, সেটিই অযুগ্ম ইলেকট্রন (unpaired electron)। প্রতিটি ইলেকট্রন একটি ক্ষুদ্র চুম্বক (magnet); জোড়ায় থাকলে বিপরীত স্পিনের কারণে দুটির চুম্বকত্ব কাটাকাটি হয়ে যায়।

অযুগ্ম ইলেকট্রনের সংখ্যা n হলে স্পিনজনিত চৌম্বক ভ্রামক (spin-only magnetic moment): μ=n(n+2)\mu = \sqrt{n(n+2)} BM (বোর ম্যাগনেটন, Bohr magneton)।

কণা (species)বিন্যাসঅযুগ্মμ (BM)ধর্ম
Fe[Ar] 3d⁶ 4s²44.90প্যারাচৌম্বক
Fe³⁺[Ar] 3d⁵55.92প্যারাচৌম্বক
Cu²⁺[Ar] 3d⁹11.73প্যারাচৌম্বক
Zn²⁺[Ar] 3d¹⁰00ডায়াচৌম্বক

(লোহা (iron) চুম্বকে জোরে আটকে যায় আরও একটি কারণে — বহু পরমাণুর চুম্বকত্ব একদিকে সাজানো থাকে, একে বলে ফেরোচৌম্বকত্ব, ferromagnetism। তবে তার মূলেও আছে অযুগ্ম ইলেকট্রন।)

নিজে যাচাই করো

নিচের কোন আয়নটি ডায়াচৌম্বক (diamagnetic)?

ধাপ ৯: এবার নিজে করে দেখো

এবার নিজের হাতে পরমাণু আর আয়ন বানাও। সিমুলেশন প্রতিটি নিয়ম মেনে চলে, আর ভুল করলে বলে দেয় কোন নীতি ভাঙল:

ইলেকট্রন বিন্যাস নির্মাতা

Electron configuration builder
↗
আধান (charge)
লক্ষ্য (target): N (নাইট্রোজেন — nitrogen) · 7টি ইলেকট্রন (electrons)
আরও 7টি বসাও · বসানো 0/7
4pn+l=5
3dn+l=5
4sn+l=4
3pn+l=4
3sn+l=3
2pn+l=3
2sn+l=2
1sn+l=1
একটি হাতিয়ার (tool: ↑, ↓ বা ✕) বেছে বাক্সে (box) চাপ দাও। কম শক্তির (energy) উপস্তর (subshell) নিচে। ভুল করলে কোন নিয়ম (rule) ভাঙল তা এখানে লেখা হবে।
বিন্যাস (configuration)
—
নিষ্ক্রিয় গ্যাস কোর (noble-gas core)
—
অযুগ্ম ইলেকট্রন (unpaired)
0 · ডায়াচৌম্বক (diamagnetic)
চৌম্বক ভ্রামক (spin-only magnetic moment, μ)
0.00 BM
শেষ বসানো ইলেকট্রনের কোয়ান্টাম সংখ্যা (quantum numbers of last electron)
—

চ্যালেঞ্জ (challenges)

0/6
  1. 2p উপস্তরে (subshell) ৩টি অযুগ্ম (unpaired) ইলেকট্রন (electrons) আছে এমন মৌলটি (element) খুঁজে বের করে বানাও।
  2. ক্রোমিয়াম (chromium, Cr, Z = 24) বানাও — আসল ভূমি অবস্থা (ground state)।
  3. কপার (copper, Cu, Z = 29) বানাও।
  4. Fe²⁺ আর Fe³⁺ দুটোই বানাও (Fe বেছে আধান (charge) +2, +3 দাও)। চাইলে আগে Fe বানিয়ে তারপর ✕ দিয়ে সরাও। (0/2)
  5. এমন একটি d-ব্লক (d-block) মৌল (element) বানাও যার একটিও অযুগ্ম (unpaired) ইলেকট্রন (electron) নেই।
  6. ইচ্ছা করে তিনটি নিয়মই (rules) ভাঙার চেষ্টা করো — পাউলি (Pauli), হুন্ড (Hund) আর আউফবাউ (Aufbau) — আর সিমুলেশনের (simulation) ব্যাখ্যা পড়ো। (0/3)

পর্যবেক্ষণ খাতা (observation notebook)

কোনো পরমাণু (atom) বা আয়ন (ion) ঠিকঠাক সম্পূর্ণ করলে তা এখানে জমা হবে।

বই পড়ার সময় সাবধান — পাঠ্যবইয়ের কয়েকটি কথা ভুল বা গোলমেলে:

  • বইয়ে পাউলির বর্জন নীতি আর হুন্ডের নিয়মকে “আউফবাউ নীতির তিনটি নিয়মের” অংশ বলা হয়েছে। এরা তিনটি আলাদা নীতি: আউফবাউ বলে কোন উপস্তর আগে ভরবে; পাউলি বলে একটি অরবিটালে কয়টি ইলেকট্রন থাকতে পারে (২টি, বিপরীত স্পিনে); হুন্ড বলে সমশক্তির অরবিটালে ইলেকট্রন কীভাবে ছড়াবে।
  • বইয়ে লেখা “হুন্ডের নিয়মের ভিত্তি হলো ইলেকট্রন স্পিনের চুম্বকীয় ফল (magnetic effect of electron spin)।” এটি ভুল। আসল কারণ — আলাদা অরবিটালে ইলেকট্রনের পারস্পরিক বিকর্ষণ কম, আর সমান্তরাল স্পিনে বিনিময় শক্তি (exchange energy)। স্পিনের চৌম্বক আকর্ষণ-বিকর্ষণ এর তুলনায় নগণ্য।
  • নাইট্রোজেনের সাতটি ইলেকট্রনের কোয়ান্টাম সংখ্যার সারণিতে শেষ তিনটি ইলেকট্রনকে “3p³” বলা হয়েছে — হবে 2p³ (তাদের n = 2; নাইট্রোজেনে n = 3 শেলে কোনো ইলেকট্রনই নেই)।
  • কোয়ান্টাম সংখ্যার সেট যাচাইয়ের “দক্ষতা” লাইনে লেখা “l = (n − 1), m = ± l” — গোলমেলে। সঠিক নিয়ম: l = 0, 1, 2 … (n − 1) আর m = −l … 0 … +l (মোট 2l + 1টি মান), s = ±½।

ঘরে বসে পরীক্ষা: চুম্বক যখন আঙুরকে ঠেলে দেয়

আঙুরের প্রায় সবটাই পানি, আর পানির অণুর (molecule) সব ইলেকট্রন জোড়ায় — তাই আঙুর ডায়াচৌম্বক। খুব শক্তিশালী চুম্বক দিয়ে এটা নিজের চোখে দেখা যায়।

  1. একটি প্লাস্টিকের স্ট্র-র দুই প্রান্তে সমান মাপের দুটি আঙুর গেঁথে দাও।
  2. স্ট্রটির ঠিক মাঝখানে একটি সুতো বেঁধে কোনো তাক বা চেয়ারের হাতল থেকে ঝুলিয়ে দাও, যেন স্ট্রটি অনুভূমিকভাবে (horizontally) সহজে ঘুরতে পারে। পাখা বন্ধ রাখো, আর ঘোরা পুরোপুরি থামা পর্যন্ত অপেক্ষা করো।
  3. পুরনো হার্ডডিস্ক বা বড় স্পিকার থেকে পাওয়া একটি শক্তিশালী নিওডিমিয়াম চুম্বক (neodymium magnet) খুব ধীরে একটি আঙুরের পাশে আনো — ছোঁয়াবে না, প্রায় ৫ মিমি দূরে রাখো।
  4. লক্ষ করো: আঙুরটি ধীরে ধীরে চুম্বক থেকে দূরে সরে যায়। চুম্বক সরিয়ে অন্য পাশ থেকে আনলে আবার উল্টো দিকে ঠেলে দেয়। প্রভাবটি দুর্বল — তাই চুম্বক যত শক্তিশালী, ফল তত স্পষ্ট। সাধারণ ফ্রিজ-চুম্বকে কাজ হবে না।

নিরাপত্তা: নিওডিমিয়াম চুম্বক দুটি একসঙ্গে লাফিয়ে লেগে গিয়ে আঙুলের চামড়া চিমটি দিতে পারে বা ভেঙে টুকরো ছিটকে যেতে পারে। মোবাইল ফোন, ব্যাংক কার্ড আর হার্টের পেসমেকার থেকে দূরে রাখো। ছোট শিশুদের হাতে কখনো দেবে না — গিলে ফেললে মারাত্মক বিপদ।

পরীক্ষার প্রস্তুতি

১. K (19), Cr (24) ও Cu (29)-এর ইলেকট্রন বিন্যাস লেখো এবং যোজ্যতাস্তরের (valence shell) বক্স চিত্র দেখাও।
  • K = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ = [Ar] 4s¹ → 4s: [↑]
  • Cr = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁵ 4s¹ = [Ar] 3d⁵ 4s¹ → 3d: [↑][↑][↑][↑][↑], 4s: [↑] (৬টি অযুগ্ম)
  • Cu = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s¹ = [Ar] 3d¹⁰ 4s¹ → 3d: [↑↓]×5, 4s: [↑] (১টি অযুগ্ম)

Cr ও Cu-তে অর্ধপূর্ণ ও পূর্ণ d উপস্তর বেশি স্থিতিশীল বলে একটি 4s ইলেকট্রন 3d-তে যায়।

২. Fe²⁺ ও Fe³⁺ আয়নের ইলেকট্রন বিন্যাস লেখো। কোনটি বেশি স্থিতিশীল এবং কেন?

Fe = [Ar] 3d⁶ 4s²। ধনাত্মক আয়নে আগে 4s-এর ইলেকট্রন যায়:

  • Fe²⁺ = [Ar] 3d⁶ (৪টি অযুগ্ম)
  • Fe³⁺ = [Ar] 3d⁵ (৫টি অযুগ্ম)

Fe³⁺ বেশি স্থিতিশীল, কারণ এর 3d উপস্তর অর্ধপূর্ণ (d⁵) — পাঁচটি ইলেকট্রনই আলাদা অরবিটালে, সমান্তরাল স্পিনে, তাই বিনিময় শক্তি সর্বোচ্চ ও ইলেকট্রন-মেঘ সুষম। Fe²⁺ (d⁶) একটি ইলেকট্রন হারিয়ে সহজেই এই অবস্থায় পৌঁছায়।

৩. পটাসিয়ামের (K) ১৯তম ইলেকট্রন 3d অরবিটাল খালি রেখে 4s-এ যায় কেন? (n + l) নিয়ম দিয়ে ব্যাখ্যা করো।

3d: n + l = 3 + 2 = 5; 4s: n + l = 4 + 0 = 4। যে উপস্তরের (n + l) কম, তার শক্তি কম — তাই 4s-এর শক্তি 3d-এর চেয়ে কম, আর আউফবাউ নীতি অনুযায়ী ১৯তম ইলেকট্রন 4s-এ প্রবেশ করে: K = [Ar] 4s¹। (কারণ: 4s ইলেকট্রন নিউক্লিয়াসের কাছে বেশি ভেদ করে, penetration।)

৪. কোনো মৌলের যোজ্যতাস্তরের বিন্যাস ns² np⁴, যেখানে n = 2। মৌলটি কী? এতে হুন্ডের নিয়মের প্রয়োগ দেখাও।

n = 2 হলে বিন্যাস 1s² 2s² 2p⁴ — মোট ৮টি ইলেকট্রন, মৌলটি অক্সিজেন (O)।

2p-র চারটি ইলেকট্রন: প্রথম তিনটি তিনটি আলাদা অরবিটালে একই স্পিনে (↑ ↑ ↑), চতুর্থটি প্রথম অরবিটালে বিপরীত স্পিনে জোড় বাঁধে: 2p = [↑↓][↑][↑]। তাই অক্সিজেন পরমাণুতে ২টি অযুগ্ম ইলেকট্রন।

৫. ক্যালসিয়ামের (Ca, Z = 20) যোজ্যতা ইলেকট্রন দুটির চারটি কোয়ান্টাম সংখ্যা লেখো। এখানে কোন নীতি প্রযোজ্য?

Ca = [Ar] 4s²। দুটি ইলেকট্রনই 4s অরবিটালে:

ইলেকট্রনnlms
১ম400+½
২য়400−½

n, l, m মিলে গেছে, তাই পাউলির বর্জন নীতি অনুযায়ী s আলাদা হতে হবে।

৬. Mn²⁺ আয়নে কয়টি অযুগ্ম ইলেকট্রন আছে? এর স্পিনজনিত চৌম্বক ভ্রামক হিসাব করো।

Mn = [Ar] 3d⁵ 4s² → Mn²⁺ = [Ar] 3d⁵ — পাঁচটি অযুগ্ম ইলেকট্রন।

μ=n(n+2)=5×7=35=5.92\mu = \sqrt{n(n+2)} = \sqrt{5 \times 7} = \sqrt{35} = 5.92 BM। আয়নটি প্যারাচৌম্বক।