পাঠ ১৩ / ১৪অনুচ্ছেদ ৩.১৭–৩.২০

আন্তঃআণবিক বল ও হাইড্রোজেন বন্ধনIntermolecular forces & hydrogen bonding

পানি (H₂O), হাইড্রোজেন সালফাইড (hydrogen sulfide, H₂S) আর মিথেন (methane, CH₄) — তিনটিই ছোট অণু (molecule), প্রতিটিতে একটি কেন্দ্রীয় পরমাণুর সাথে কয়েকটি H যুক্ত। নিচের তিনটি বন্ধ পাত্রে এদের রাখা আছে। তাপমাত্রা কমিয়ে-বাড়িয়ে নিজে দেখো কোনটি কখন গলে আর কখন ফোটে:

তিনটি বন্ধ পাত্রে (sealed beakers) তিনটি পদার্থ · চাপ (pressure) 1 atm
তরল (liquid)H₂O18 g/mol · 10 e⁻গ্যাস (gas)H₂S34 g/mol · 18 e⁻গ্যাস (gas)CH₄16 g/mol · 10 e⁻−200−150−100−50050100

স্লাইডারটি টেনে তাপমাত্রা (temperature) একেবারে −200 °C-এ নামাও, তারপর ধীরে ধীরে বাড়াও। দেখো কোনটি কখন গলে (melts) আর কখন ফোটে (boils)। তিনটিই 1 atm চাপে।

  1. H₂O (water) ফুটতে দেখো
  2. H₂S (hydrogen sulfide) ফুটতে দেখো
  3. CH₄ (methane) ফুটতে দেখো

H₂S অণু পানির প্রায় দ্বিগুণ ভারী। ভারী অণুকে বাষ্প বানাতে সাধারণত বেশি শক্তি লাগে — তাহলে H₂S কেন পানির চেয়ে 160 °C নিচে ফোটে? আর ঘরের তাপমাত্রায় পানি তরল হলেও H₂S কেন গ্যাস?

এই পাঠে ধাপে ধাপে এর উত্তর খুঁজব:

  1. অণুর ভেতরের বন্ধন (intramolecular bond) বনাম অণুগুলোর মধ্যের বল (intermolecular force)
  2. ভ্যান ডার ওয়ালস বল (van der Waals forces) — ডাইপোল–ডাইপোল, আবিষ্ট ডাইপোল, লন্ডন বিস্তারণ বল
  3. হাইড্রোজেন বন্ধন (hydrogen bond) — কখন হয়, কেন এত শক্তিশালী
  4. H-বন্ধনের প্রমাণ — স্ফুটনাঙ্ক (boiling point) ও দ্রাব্যতা (solubility)
  5. অন্তঃআণবিক H-বন্ধন (intramolecular H-bond) — নাইট্রোফেনলের রহস্য
  6. H-বন্ধনের গুরুত্ব — বরফ, DNA, প্রোটিন
  7. এবার নিজে করে দেখো — স্ফুটনাঙ্ক ল্যাব (boiling-point lab)

ধাপ ১: অণুর ভেতরে বনাম অণুগুলোর মধ্যে

সমযোজী বন্ধনের পাঠে দেখেছ, পানির অণুতে O আর H পরমাণু সমযোজী বন্ধনে (covalent bond) যুক্ত। এই বন্ধন অণুর ভেতরে — একে বলে অন্তঃআণবিক বন্ধন (intramolecular bond)। এটি ভাঙলে অণুটিই ভেঙে যায়, নতুন পদার্থ তৈরি হয়।

কিন্তু এক গ্লাস পানিতে কোটি কোটি অণু একসাথে লেগে থাকে, ছড়িয়ে গ্যাস হয়ে যায় না। অণুগুলোকে পরস্পরের দিকে টেনে রাখে যে দুর্বল আকর্ষণ, তার নাম আন্তঃআণবিক বল (intermolecular force)। পানি ফোটালে শুধু এই বলগুলোই ভাঙে — বাষ্পেও প্রতিটি অণু H₂O-ই থাকে।

তাই স্ফুটনাঙ্ক, গলনাঙ্ক (melting point), বাষ্পচাপ, দ্রাব্যতা — এসব ভৌত ধর্ম (physical properties) ঠিক করে আন্তঃআণবিক বল, অণুর ভেতরের বন্ধন নয়।

0.11101001000শক্তি (energy), kJ mol⁻¹ — লগারিদমীয় স্কেল (log scale)আয়নিক বন্ধন (ionic bond) 400–4000সমযোজী বন্ধন (covalent bond) 150–1100ধাতব বন্ধন (metallic bond) 75–1000আয়ন–ডাইপোল (ion–dipole) 40–600হাইড্রোজেন বন্ধন (H-bond) 10–40ডাইপোল–ডাইপোল (dipole–dipole) 5–25আয়ন–আবিষ্ট ডাইপোল (ion–induced dipole) 3–15ডাইপোল–আবিষ্ট ডাইপোল (dipole–induced dipole) 2–10বিস্তারণ বল (dispersion) 0.05–40
লাল = অণুর ভেতরের বন্ধন (intramolecular bond); নীল ও কমলা = অণুগুলোর মধ্যের বল (intermolecular forces)। প্রতিটি ঘর 10 গুণ। সমযোজী বন্ধন H-বন্ধনের চেয়ে অনেক শক্তিশালী — পানিতে O–H বন্ধন ≈ 460, অথচ O–H···O H-বন্ধন মাত্র ≈ 20 kJ mol⁻¹। পরিসরগুলো “সাধারণ” মান (typical ranges, Silberberg) — বড় অণুতে বিস্তারণ বল (dispersion) H-বন্ধনকেও ছাড়িয়ে যেতে পারে।
নিজে যাচাই করো

পানি 100 °C-এ ফোটার সময় কোনটি ভাঙে?

ধাপ ২: ভ্যান ডার ওয়ালস বল

অণুগুলোর মধ্যের দুর্বল আকর্ষণ বলগুলোকে একসাথে ভ্যান ডার ওয়ালস বল (van der Waals forces) বলে। সবগুলোর মূল একই — বিপরীত আংশিক আধানের (partial charge, δ+ ও δ−) মধ্যে স্থির-তড়িৎ আকর্ষণ (electrostatic attraction)। আধান কোথা থেকে আসে, তার ওপর ভিত্তি করে তিন ভাগ:

এর বাইরে আয়ন আর পোলার অণুর মধ্যে আয়ন–ডাইপোল আকর্ষণ (ion–dipole) কাজ করে — যেমন পানিতে Na⁺ আর Cl⁻। এটি আন্তঃআণবিক বলগুলোর মধ্যে সবচেয়ে শক্তিশালী, আর এজন্যই লবণ পানিতে গলে।

নিচে জোড়া বেছে নাও, তারপর ডানের কণাটি টেনে বামেরটির কাছে আনো। কোন বল কাজ করে, আর দূরত্বের সাথে কোনটি কত দ্রুত মিলিয়ে যায়, দেখো:

বল খোঁজো (force finder): একটি জোড়া বেছে ডানের কণাটিকে টেনে বামেরটির কাছে আনো

Clδ−Hδ+Clδ−Hδ+⟵ টানো (drag)hydrogen chloridehydrogen chloride
  • ডাইপোল–ডাইপোল (dipole–dipole)সবচেয়ে বেশি (largest)
  • লন্ডন বিস্তারণ বল (London dispersion)

কণা দুটি এখনো দূরে — টেনে কাছে আনো। কোন বল আগে দেখা দেয়, কোনটি একেবারে কাছে না আনলে দেখা দেয় না?

দণ্ডগুলো (bars) বোঝানোর জন্য আনুমানিক (illustrative) — মাপা শক্তি নয়। জোড়া পরীক্ষা হয়েছে: 0/6

বিস্তারণ বল কিসের ওপর নির্ভর করে?

১. ইলেকট্রন সংখ্যা (আকার)। ইলেকট্রন যত বেশি, মেঘ তত বড় আর নিউক্লিয়াস থেকে তত দূরে — সহজে বিকৃত হয়, অর্থাৎ পোলারায়নযোগ্যতা (polarisability) বেশি। তাই হ্যালোজেনের স্ফুটনাঙ্ক F₂ −188 °C, Cl₂ −34 °C, Br₂ 59 °C, I₂ 184 °C — আর ঘরের তাপমাত্রায় F₂, Cl₂ গ্যাস, Br₂ তরল, I₂ কঠিন। নিষ্ক্রিয় গ্যাসেও একই ছবি:

−250−150−5010020025 °C (ঘরের তাপমাত্রা)020406080100অণুতে মোট ইলেকট্রন (electrons per molecule)স্ফুটনাঙ্ক (bp), °CHeNeArKrXeF₂ −188.1Cl₂ −34Br₂ 58.8I₂ 184.3
নীল = নিষ্ক্রিয় গ্যাস (noble gases), লাল = হ্যালোজেন (halogens)। দুটিই সম্পূর্ণ অপোলার (non-polar) — এদের মধ্যে কেবল লন্ডন বিস্তারণ বল (London dispersion)। ইলেকট্রন যত বেশি, মেঘ তত বড় ও সহজে বিকৃত হয় (more polarisable), তাই স্ফুটনাঙ্ক তত বেশি। F₂, Cl₂ গ্যাস; Br₂ তরল; I₂ কঠিন। উপাত্ত: CRC Handbook।

২. অণুর আকৃতি (shape)। একই সংকেত, একই ইলেকট্রন — তবু লম্বা অণুর স্পর্শতল (contact area) বেশি, তাই বিস্তারণ বলও বেশি:

বড় স্পর্শতল (large contact)এক বিন্দুতে স্পর্শ (point contact)n-পেন্টেন (n-pentane): bp 36.1 °Cনিওপেন্টেন (neopentane): bp 9.5 °Cলম্বা শিকল (long chain)গোলাকার (ball-shaped)
দুটিরই সংকেত C₅H₁₂, ইলেকট্রন সংখ্যাও সমান (42)। কিন্তু লম্বা n-পেন্টেন অণুগুলো পাশাপাশি শুয়ে অনেকখানি জায়গা জুড়ে স্পর্শ করে, তাই বিস্তারণ বল বেশি — স্ফুটনাঙ্ক 26.6 °C বেশি। (ধূসর বল = C, H দেখানো হয়নি।)

বিস্তারণ বল কি সবসময় সবচেয়ে দুর্বল? না। একজোড়া ছোট অণুর মধ্যে এটি দুর্বল, কিন্তু বড় অণুতে অনেক বড় হয়। CCl₄ (অপোলার, 74টি ইলেকট্রন) ফোটে 76.8 °C-এ — পোলার HCl (−85 °C) বা এমনকি H-বন্ধনযুক্ত NH₃-এর (−33 °C) চেয়ে অনেক বেশিতে। মোম, তেল, প্লাস্টিক তরল বা কঠিন থাকে শুধু বিস্তারণ বলের জোরে।

নিজে যাচাই করো

Br₂ (160 g/mol) ফোটে 59 °C-এ, আর প্রায় সমান ভারী ICl (162 g/mol) ফোটে 97 °C-এ। পার্থক্যের কারণ কী?

ধাপ ৩: হাইড্রোজেন বন্ধন

H পরমাণু যখন খুব তড়িৎ ঋণাত্মক (electronegative) আর ছোট একটি পরমাণুর সাথে — F, O বা N — সমযোজী বন্ধনে যুক্ত থাকে, তখন বন্ধনের ইলেকট্রন জোড় প্রায় পুরোটাই ওই পরমাণুর দিকে সরে যায়। H-এর তো ভেতরের কোনো ইলেকট্রন স্তর নেই, তাই তার নিউক্লিয়াস (একটি প্রোটন) প্রায় উন্মুক্ত হয়ে পড়ে — একটি অত্যন্ত ঘন δ+ বিন্দু। এই H পাশের অণুর F, O বা N-এর নিঃসঙ্গ ইলেকট্রন জোড়ের (lone pair) দিকে জোরালোভাবে আকৃষ্ট হয়।

সংজ্ঞা: F, O বা N-এর সাথে সমযোজী বন্ধনে যুক্ত H পরমাণু এবং অন্য একটি (বা একই অণুর অন্য অংশের) F, O বা N পরমাণুর নিঃসঙ্গ ইলেকট্রন জোড়ের মধ্যে যে আকর্ষণ, তাকে হাইড্রোজেন বন্ধন (hydrogen bond) বলে। একে বিন্দু-রেখা (···) দিয়ে দেখানো হয়: O–H···O।

HOHδ−δ+HHOδ−নিঃসঙ্গ জোড় (lone pair)1.00 Åসমযোজী (covalent)1.76 ÅH-বন্ধন (H-bond)O···O = 2.76 Å, প্রায় সরলরৈখিক (≈ 180°)
দাতা (donor) অণুর O–H-এর δ+ H আর গ্রহীতা (acceptor) অণুর O-এর নিঃসঙ্গ জোড় একই সরলরেখায়। বরফে (ice) মাপা দূরত্ব: O–H ≈ 1.00 Å, H···O ≈ 1.76 Å। H-বন্ধন সমযোজী বন্ধনের চেয়ে লম্বা আর অনেক দুর্বল। (বইয়ের 0.96 Å হলো গ্যাসীয় পানির O–H।)

H-বন্ধনের জন্য দুটি শর্তই লাগবে:

  1. দাতা (donor): H যুক্ত থাকতে হবে F, O বা N-এর সাথে (H–F, O–H, N–H)। C–H, S–H, Cl–H চলবে না — C, S বা Cl যথেষ্ট তড়িৎ ঋণাত্মক বা যথেষ্ট ছোট নয়।
  2. গ্রহীতা (acceptor): পাশের পরমাণুটি F, O বা N, আর তাতে নিঃসঙ্গ জোড় থাকতে হবে।

H-বন্ধনের শক্তি সাধারণত 10–40 kJ mol⁻¹ — ডাইপোল–ডাইপোল আকর্ষণের চেয়ে বেশি, কিন্তু সমযোজী বন্ধনের (150–1100 kJ mol⁻¹) তুলনায় অনেক দুর্বল। একটি বন্ধনের শক্তির ক্রম:

F−H⋯F>O−H⋯O>N−H⋯N\mathrm{F{-}H\cdots F} > \mathrm{O{-}H\cdots O} > \mathrm{N{-}H\cdots N}

কারণ তড়িৎ ঋণাত্মকতা F > O > N — F-এর সাথে যুক্ত H সবচেয়ে বেশি δ+।

নিজে যাচাই করো

কোন অণুগুলো নিজেদের মধ্যে H-বন্ধন গড়তে পারে?

ধাপ ৪: H-বন্ধনের প্রমাণ — স্ফুটনাঙ্ক ও দ্রাব্যতা

একই গ্রুপের হাইড্রাইডগুলোতে (hydrides) সাধারণত অণু যত বড়, বিস্তারণ বল তত বেশি, স্ফুটনাঙ্কও তত বেশি। গ্রুপ 14-এ ঠিক তা-ই ঘটে: CH₄ < SiH₄ < GeH₄ < SnH₄। কিন্তু গ্রুপ 15, 16, 17-এর প্রথম সদস্য লাইন ভেঙে অনেক ওপরে চলে যায়:

−150−100−500501002345পর্যায় (period)স্ফুটনাঙ্ক (bp), °C≈ −90 °C ?CH₄NH₃H₂OHF14151617গ্রুপ
ধূসর গ্রুপ 14 (CH₄ … SnH₄) “স্বাভাবিক”: অণু যত বড়, স্ফুটনাঙ্ক তত বেশি। কিন্তু গ্রুপ 15, 16, 17-এর প্রথম সদস্য NH₃, H₂O, HF লাইন ছেড়ে অনেক ওপরে — এদের মধ্যে H-বন্ধন আছে। লাল ডটেড রেখা H₂S–H₂Se–H₂Te-এর প্রবণতা পেছনে টেনে দেখায়, H-বন্ধন না থাকলে পানি প্রায় −80 থেকে −90 °C-এ ফুটত (আনুমানিক, estimate)। উপাত্ত: CRC Handbook।

NH₃, H₂O আর HF-এ H যুক্ত আছে N, O, F-এর সাথে — তাই অণুগুলো H-বন্ধনে আটকে থাকে, ছাড়াতে বাড়তি শক্তি লাগে। H₂S-এ S তত তড়িৎ ঋণাত্মক নয় (আর আকারে বড়), তাই H-বন্ধন হয় না; H₂S-এর অণুগুলো শুধু দুর্বল ডাইপোল–ডাইপোল ও বিস্তারণ বলে আকৃষ্ট। এ কারণেই ঘরের তাপমাত্রায় H₂O তরল, H₂S গ্যাস — শুরুর প্রশ্নের উত্তর।

পানি কেন HF-এর চেয়ে বেশি তাপে ফোটে?

একটি F–H···F বন্ধন একটি O–H···O বন্ধনের চেয়ে শক্তিশালী — তবু HF ফোটে 19.5 °C-এ, পানি 100 °C-এ। কারণ সংখ্যা:

অণুH-দাতা (H)নিঃসঙ্গ জোড়অণুপ্রতি H-বন্ধনস্ফুটনাঙ্ক
HF13গড়ে ≈ 2 (শিকল ও বলয়, (HF)ₙ)19.5 °C
H₂O224 পর্যন্ত (তরলে গড়ে ≈ 3.5)100 °C
NH₃31গড়ে ≈ 2 (নিঃসঙ্গ জোড় মাত্র 1টি)−33.3 °C

পানিতে H আর নিঃসঙ্গ জোড়ের সংখ্যা সমান (2 ও 2), তাই প্রতিটি অণু চারদিকে পূর্ণ জাল গড়তে পারে। HF-এ H মাত্র একটি, NH₃-এ নিঃসঙ্গ জোড় মাত্র একটি — যেটি কম, সেটিই সীমা ঠিক করে দেয়। তাই স্ফুটনাঙ্কের ক্রম: CH₄ < NH₃ < HF < H₂O।

একই সংকেত, ভিন্ন স্ফুটনাঙ্ক

ইথানল (ethanol, C₂H₅OH) আর ডাইমিথাইল ইথার (dimethyl ether, CH₃OCH₃) — দুটিরই সংকেত C₂H₆O, ভর সমান (46 g/mol)। কিন্তু ইথানলে O–H আছে, ইথারে নেই। ফল: ইথানল ফোটে 78.3 °C-এ, ইথার −24.8 °C-এ — 103 °C পার্থক্য, শুধু H-বন্ধনের জন্য।

দ্রাব্যতা

যে অণু পানির সাথে H-বন্ধন গড়তে পারে, সে পানিতে সহজে দ্রবীভূত হয়। মিথানল, ইথানল পানির সাথে যেকোনো অনুপাতে মেশে (miscible); NH₃ গ্যাস পানিতে বিপুল পরিমাণে দ্রবীভূত হয়। অথচ CH₄ বা তেল (অপোলার, কোনো H-বন্ধন নেই) পানিতে প্রায় অদ্রবণীয়।

নিজে যাচাই করো

কোন ক্রমটি স্ফুটনাঙ্কের সঠিক ঊর্ধ্বক্রম?

ধাপ ৫: অন্তঃআণবিক H-বন্ধন

এতক্ষণ H-বন্ধন ছিল দুটি আলাদা অণুর মধ্যে — আন্তঃআণবিক H-বন্ধন (intermolecular H-bond)। কিন্তু একই অণুর দুটি মূলক (group) যদি কাছাকাছি থাকে, তাহলে H-বন্ধন অণুর ভেতরেই গড়ে উঠতে পারে — অন্তঃআণবিক H-বন্ধন (intramolecular H-bond)। এতে অণুর ভেতরে একটি নতুন বলয় (ring) তৈরি হয়; একে কিলেশন (chelation) বলে।

সবচেয়ে বিখ্যাত উদাহরণ নাইট্রোফেনলের (nitrophenol) দুটি সমাণু (isomers):

OHNOOঅন্তঃআণবিক H-বন্ধনঅর্থো (o-) নাইট্রোফেনলগলনাঙ্ক (mp) 45 °Cএকক অণু, বাষ্পীয় (volatile)O–HNO₂O–HNO₂আন্তঃআণবিক H-বন্ধনপ্যারা (p-) নাইট্রোফেনল · mp 114 °Cঅণুগুলো শিকলে যুক্ত (associated)
অর্থো-তে –OH আর –NO₂ পাশাপাশি (1,2), তাই H-বন্ধন একই অণুর ভেতরে একটি ছয়-সদস্যের বলয় (chelate ring) গড়ে — পাশের অণুর জন্য আর কিছু বাকি থাকে না। প্যারা-তে (1,4) দুটি মূলক দূরে, তাই –OH পাশের অণুর –NO₂-এর সাথে H-বন্ধন গড়ে অণুগুলোকে জুড়ে দেয়। উপাত্ত: CRC Handbook।

অর্থো-নাইট্রোফেনলের H-বন্ধন অণুর ভেতরেই “খরচ” হয়ে যায়, তাই অণুগুলো একে অপরকে কম টানে — গলনাঙ্ক মাত্র 45 °C, আর এটি বাষ্পীয় (volatile): বাষ্প পাতনে (steam distillation) বাষ্পের সাথে উড়ে যায়। প্যারা-নাইট্রোফেনলের অণুগুলো আন্তঃআণবিক H-বন্ধনে শিকলের মতো যুক্ত (associated) — গলনাঙ্ক 114 °C, বাষ্পীয় নয়। (মেটা সমাণুও আন্তঃআণবিক H-বন্ধন গড়ে; গলনাঙ্ক 97 °C।) একই কারণে স্যালিসাইলিক এসিড (salicylic acid) আর স্যালিসাইলঅ্যালডিহাইডে অর্থো অবস্থানের –OH অন্তঃআণবিক H-বন্ধন গড়ে।

নিজে যাচাই করো

অর্থো- ও প্যারা-নাইট্রোফেনলের মিশ্রণ বাষ্প পাতন করলে কী হবে?

ধাপ ৬: H-বন্ধনের গুরুত্ব

বরফ কেন পানিতে ভাসে

প্রায় সব পদার্থ জমে কঠিন হলে সংকুচিত হয়, ঘনত্ব বাড়ে। পানি উল্টো। বরফে (ice) প্রতিটি H₂O অণু ঠিক চারটি H-বন্ধনে আটকে থাকে — নিজের দুটি H দিয়ে দুটি, আর নিজের দুটি নিঃসঙ্গ জোড় দিয়ে দুটি — চতুস্তলকীয় (tetrahedral) দিকে। এতে ষড়ভুজাকার (hexagonal) খোলা জালি (open lattice) তৈরি হয়, যার মাঝে অনেক ফাঁকা জায়গা। তাপমাত্রা 0 °C-এর এপার-ওপার করে নিজে দেখো:

বরফ বনাম পানি (ice vs water): তাপমাত্রা 0 °C-এর এপার-ওপার করো

বরফ (ice Ih): খোলা ষড়ভুজ জালি (open hexagonal lattice)

● O (লাল) · ● H (সাদা) · ┄ H-বন্ধন (H-bond) · O-এর মাঝের ছোট বিন্দু = পর্দার বাইরের স্তরের সাথে 4র্থ H-বন্ধন

ঘনত্ব (density)0.917 g cm⁻³
18.0 g H₂O-এর আয়তন (volume)19.65 cm³
অণুপ্রতি H-বন্ধন (H-bonds per molecule)ঠিক 4টি
বরফ ভাসে (ice floats):91.7 % পানির নিচে8.3 % ওপরে

বরফে প্রতিটি অণু ঠিক 4টি H-বন্ধনে আটকে থাকে (2টিতে নিজের H দেয়, 2টিতে নিজের নিঃসঙ্গ জোড়) — চতুস্তলকীয় (tetrahedral) বিন্যাসে। এতে জালির মাঝে বড় ফাঁকা জায়গা থাকে: একই ভরের বরফ বেশি জায়গা নেয়, ঘনত্ব কমে 0.917 g cm⁻³।

ছবিটি দ্বিমাত্রিক সরলীকরণ (2D simplified picture); আসল বরফ ত্রিমাত্রিক। ঘনত্বের মান CRC Handbook থেকে।

বরফের ঘনত্ব 0.917 g cm⁻³, তরল পানির ≈ 1.000 g cm⁻³ — তাই বরফ ভাসে, তার প্রায় 92 % পানির নিচে থাকে (হিমশৈলের বেশিরভাগই অদৃশ্য!)। শীতপ্রধান দেশে হ্রদ ওপর থেকে জমে; বরফের স্তর নিচের পানিকে তাপ-নিরোধকের মতো ঢেকে রাখে, আর তলায় 4 °C-এর পানিতে মাছ ও জলজ প্রাণী বেঁচে থাকে। আবার, পানি জমে আয়তনে প্রায় 9 % বাড়ে বলে শীতে পানির পাইপ ফেটে যায়, আর পাথরের ফাটলে জমা পানি পাথর ভেঙে দেয়।

জীবনের অণুতে

ATN–HONH–NA–T: 2টি H-বন্ধনGCOH–NN–HNN–HOG–C: 3টি H-বন্ধন
DNA-র দুই সূত্র (strands) এক থাকে ক্ষারক জোড়ের (base pairs) H-বন্ধনে: অ্যাডেনিন–থাইমিন (A–T) 2টি, গুয়ানিন–সাইটোসিন (G–C) 3টি। প্রতিটি দুর্বল, তাই কোষ বিভাজনের সময় এনজাইম সহজে সূত্র দুটি খুলে কপি করতে পারে; কিন্তু লক্ষ লক্ষ জোড়া মিলে DNA-কে স্থিতিশীল রাখে। (সরলীকৃত ছবি: শুধু H-বন্ধনের পরমাণুগুলো দেখানো।)
নিজে যাচাই করো

একটি DNA খণ্ডে 10টি A–T জোড় আর 10টি G–C জোড় আছে। দুই সূত্রের মধ্যে মোট কয়টি H-বন্ধন?

ধাপ ৭: এবার নিজে করে দেখো

এখন তুমি জানো কোন বল কোথায় কাজ করে। নিচের ল্যাবে তিনটি অংশ:

সব চ্যালেঞ্জ শেষ করো; তোমার মাপা মান পর্যবেক্ষণ খাতায় (observation notebook) জমা হবে, CSV হিসেবে নামাতেও পারবে।

স্ফুটনাঙ্ক ল্যাব

Boiling-point lab: intermolecular forces & H-bonds
↗

প্রতিটি গ্রুপে পর্যায় 3, 4, 5-এর হাইড্রাইডের আসল স্ফুটনাঙ্ক দেওয়া আছে। পর্যায় 2-এর সদস্যটি (CH₄, NH₃, H₂O, HF) লুকানো — হলুদ “?” টেনে প্রবণতা (trend) অনুযায়ী অনুমান বসাও, তারপর reveal করো।

−200−150−100−500501002345পর্যায় (period) →স্ফুটনাঙ্ক (bp) / °CSiH₄ −111.9GeH₄ −88.1SnH₄ −51.8?
আগে হলুদ “?” টেনে (বা স্লাইডারে) অনুমান বসাও।

চ্যালেঞ্জ (challenges)

0/6
  1. গ্রুপ 16-এর প্রবণতা (H₂S → H₂Te) পেছনে টেনে অনুমান করো: H-বন্ধন না থাকলে পানি কত °C-এ ফুটত? তারপর আসল মানের সাথে মেলাও
  2. F–H···F বন্ধন O–H···O-এর চেয়ে শক্তিশালী, তবু HF (19.5 °C) পানির (100 °C) চেয়ে কম তাপে ফোটে কেন? (গ্রুপ 16 ও 17 দুটিই reveal করো)
  3. H₂S, CH₃OH, C₂H₆ ও Ar-কে স্ফুটনাঙ্কের ছোট থেকে বড় ক্রমে সাজাও (বল ট্যাব)
  4. অর্থো- আর প্যারা-নাইট্রোফেনলের মিশ্রণে বাষ্প চালিয়ে দেখো কোনটি বাষ্প পাতনে (steam distillation) আলাদা হয়
  5. F₂ আর I₂ দুটিকেই পরীক্ষা করো (বল ট্যাব): একটি গ্যাস আর অন্যটি কঠিন কেন? (0/2)
  6. CCl₄, Cl₂, Ar ও HNO₃-এর আন্তঃআণবিক বলগুলো ঠিকভাবে চিহ্নিত করো

পর্যবেক্ষণ খাতা (observation notebook)

এখনো কিছু নেই। কোনো গ্রুপ reveal করো বা “বল চেনো” ট্যাবে কোনো পদার্থে চাপ দাও — এখানে জমা হবে।

বই পড়ার সময় সাবধান — পাঠ্যবইয়ের এই অংশে কিছু ভুল আছে:

  • হ্যালোজেনের স্ফুটনাঙ্ক (পৃ. ৩৪৯): বই বলে আণবিক ভর বাড়লে “ডাইপোল-ডাইপোল আকর্ষণ বৃদ্ধি সহ” ভ্যান ডার ওয়ালস বল বাড়ে। F₂, Cl₂, Br₂, I₂ সম্পূর্ণ অপোলার (μ = 0) — এদের কোনো ডাইপোল–ডাইপোল আকর্ষণ নেই। স্ফুটনাঙ্ক বাড়ে শুধু লন্ডন বিস্তারণ বলের জন্য। (বইয়ের স্ফুটনাঙ্কগুলো ঠিক আছে।)
  • সারণি ৩.৭-এর শক্তির পরিসর: বইয়ে আয়ন–ডাইপোল “10–50” আর ডাইপোল–ডাইপোল “3–4” kJ mol⁻¹ — ডাইপোল–ডাইপোলকে আয়ন–আবিষ্ট ডাইপোলের (3–15) চেয়েও দুর্বল দেখানো হয়েছে। সাধারণ (typical) পরিসর: আয়ন–ডাইপোল ≈ 40–600, ডাইপোল–ডাইপোল ≈ 5–25 kJ mol⁻¹। আর বিস্তারণ বল সবসময় সবচেয়ে দুর্বল নয় — বড় অণুতে এটিই প্রধান।
  • “H₂S অপোলার” (পৃ. ৩৫১): H₂S বাঁকা অণু, পোলার (μ = 0.97 D)। H₂S-এ H-বন্ধন হয় না কারণ S যথেষ্ট তড়িৎ ঋণাত্মক ও ছোট নয় — অপোলার বলে নয়। পরীক্ষায় “H₂O-তে H-বন্ধন আছে, H₂S-এ নেই” — এই মূল যুক্তিটি লেখো।
  • তরল পানিতে “২টি বা ৩টি, গড়ে ৩.৪টি” H-বন্ধন: কথাটি নিজেই স্ববিরোধী (গড় 3.4 হলে কিছু অণুতে 4টি থাকতেই হবে)। সঠিক: তরল পানিতে অণুপ্রতি গড়ে প্রায় 3.4–3.6টি (বরফে ঠিক 4টি)।
  • “গ্যাসীয় অবস্থায় HF একক অণু” (পৃ. ৩৫২): স্ফুটনাঙ্কের কাছাকাছি HF বাষ্পে চক্রাকার (HF)₆ আর শিকল থাকে; খুব গরম হলে তবেই একক HF।
  • বরফের দূরত্ব: বই H-বন্ধন 1.80 Å আর সমযোজী O–H 0.96 Å লিখেছে। 0.96 Å হলো গ্যাসীয় পানির O–H; বরফে O–H ≈ 1.00 Å, H···O ≈ 1.76 Å (O···O 2.76 Å)।
  • “H-বন্ধন না থাকলে পানির স্ফুটনাঙ্ক প্রায় −100 °C”: এটি একটি অনুমান; H₂S–H₂Se–H₂Te-এর প্রবণতা টানলে ≈ −80 থেকে −90 °C আসে। মূল কথা ঠিক — পানি প্রায় 180 °C “বেশি” ফোটে।
  • ন্যানো-সোনার সাসপেনশন (পৃ. ৩৪৯): কলয়েডীয় সোনা টিকে থাকে কণার পৃষ্ঠের আধানের বিকর্ষণে; বিস্তারণ বল বরং কণাগুলোকে জোড়া লাগিয়ে (aggregation) তলানি ফেলায়।
  • “দেহের ভরের 70 % পানি” (পৃ. ৩৫৩): প্রাপ্তবয়স্কের দেহে প্রায় 60 % (55–65 %)।
  • প্রশ্নব্যাংক MCQ 219: উত্তরমালা H₂S-কে তরল ধরে “AX ও AZ, AY ও AZ তরল জোড়া” বেছেছে। H₂O, H₂S, HF, HCl-এর মধ্যে কেবল H₂O ও HF তরল হতে পারে; কোনো অপশন পুরো মেলে না।
  • প্রশ্নব্যাংক MCQ 148: উত্তরমালা বলে বরফে প্রতিটি O “2টি H-বন্ধনে” যুক্ত। আসলে 4টিতে — 2টিতে দাতা (donor), 2টিতে গ্রহীতা (acceptor)।

ঘরে বসে পরীক্ষা

ক. ভাসমান কাগজের ক্লিপ (পৃষ্ঠটান, surface tension): একটি বাটিতে পানি নাও। একটি শুকনো কাগজের ক্লিপ (paper clip) কাঁটাচামচের (fork) ওপর রেখে আলতো করে পানির পৃষ্ঠে নামাও — ক্লিপটি লোহার হয়েও ভাসবে! পৃষ্ঠের পানির অণুগুলো H-বন্ধনে টানটান “চামড়া” গড়ে। এবার বাটির কিনারায় এক ফোঁটা থালা-বাসন ধোয়ার তরল সাবান (dish soap) দাও — ক্লিপটি সঙ্গে সঙ্গে ডুবে যাবে। সাবান পৃষ্ঠের H-বন্ধনের জাল ভেঙে দেয়।

খ. কোনটি আগে শুকায়: একটি প্লেটে পাশাপাশি এক ফোঁটা পানি আর এক ফোঁটা রাবিং অ্যালকোহল (rubbing alcohol) বা নেইলপলিশ রিমুভার (acetone) রাখো, ঘড়ি ধরে দেখো কোনটি আগে উবে যায়। অ্যাসিটোন অণুতে O–H নেই, নিজেদের মধ্যে H-বন্ধন নেই — তাই সবচেয়ে দ্রুত উবে যায়; পানি সবচেয়ে ধীরে।

গ. ফুলে ওঠা বরফ: একটি ছোট প্লাস্টিকের বোতল কানায় কানায় পানি ভরে ঢাকনা আলগা করে ফ্রিজারে রাখো। পরদিন দেখবে বরফ বোতলের মুখ ছাড়িয়ে উঁচু হয়ে উঠেছে — বরফের ঘনত্ব কম (0.917 g cm⁻³), তাই একই ভরে বেশি জায়গা নেয়। (কাচের বোতল ব্যবহার কোরো না, ফেটে যেতে পারে।)

নিরাপত্তা: অ্যালকোহল ও অ্যাসিটোন দাহ্য (flammable) — চুলা, মোমবাতি বা আগুনের কাছে নয়; জানালা খোলা রাখো, আর কাজ শেষে হাত ধুয়ে ফেলো। চোখে লাগলে প্রচুর পানি দিয়ে ধোও।

পরীক্ষার প্রস্তুতি

১. হাইড্রোজেন বন্ধন কী? H-বন্ধন গঠনের শর্ত দুটি লেখো।

F, O বা N-এর মতো ছোট ও উচ্চ তড়িৎ ঋণাত্মক পরমাণুর সাথে সমযোজী বন্ধনে যুক্ত H পরমাণু এবং অন্য একটি F, O বা N পরমাণুর নিঃসঙ্গ ইলেকট্রন জোড়ের মধ্যে যে দুর্বল স্থির-তড়িৎ আকর্ষণ, তাকে হাইড্রোজেন বন্ধন বলে (শক্তি সাধারণত 10–40 kJ mol⁻¹)।

শর্ত: (১) H-কে F, O বা N-এর সাথে সমযোজী বন্ধনে যুক্ত থাকতে হবে, যাতে H যথেষ্ট δ+ হয়; (২) পাশের অণুতে (বা একই অণুর অন্য অংশে) নিঃসঙ্গ জোড়যুক্ত F, O বা N থাকতে হবে।

২. সাধারণ তাপমাত্রায় H₂O তরল কিন্তু H₂S গ্যাস — ব্যাখ্যা করো।

H₂O (18 g/mol) H₂S-এর (34 g/mol) চেয়ে হালকা, তাই শুধু ভর দেখলে H₂O-র স্ফুটনাঙ্ক কম হওয়ার কথা। কিন্তু O ছোট ও খুব তড়িৎ ঋণাত্মক (3.44), তাই O–H বন্ধনের H প্রবলভাবে δ+ হয় আর পাশের অণুর O-এর নিঃসঙ্গ জোড়ের সাথে H-বন্ধন গড়ে। প্রতিটি অণু 4টি পর্যন্ত H-বন্ধনে যুক্ত হয়ে সংযুক্ত অণু (H₂O)ₙ গড়ে; এদের আলাদা করতে বেশি শক্তি লাগে — স্ফুটনাঙ্ক 100 °C।

S বড় ও কম তড়িৎ ঋণাত্মক (2.58), তাই H₂S-এ H-বন্ধন হয় না; অণুগুলো কেবল দুর্বল ডাইপোল–ডাইপোল ও বিস্তারণ বলে আকৃষ্ট — স্ফুটনাঙ্ক −60.3 °C। তাই 25 °C-এ H₂O তরল, H₂S গ্যাস।

৩. F–H···F বন্ধন O–H···O বন্ধনের চেয়ে শক্তিশালী হলেও HF-এর স্ফুটনাঙ্ক (19.5 °C) পানির চেয়ে কম কেন?

স্ফুটনাঙ্ক নির্ভর করে একটি অণুকে মুক্ত করতে মোট কত H-বন্ধন ভাঙতে হয় তার ওপর। HF-এ H মাত্র একটি, তাই প্রতিটি অণু গড়ে মাত্র ~2টি H-বন্ধনে (শিকল (HF)ₙ) যুক্ত। H₂O-তে 2টি H ও 2টি নিঃসঙ্গ জোড় — প্রতিটি অণু 4টি পর্যন্ত (তরলে গড়ে ≈ 3.5টি) H-বন্ধন গড়ে ত্রিমাত্রিক জাল তৈরি করে। একক বন্ধন দুর্বল হলেও মোট সংখ্যায় পানি এগিয়ে, তাই তার স্ফুটনাঙ্ক বেশি।

৪. অর্থো-নাইট্রোফেনলের গলনাঙ্ক প্যারা-নাইট্রোফেনলের চেয়ে কম কেন?

অর্থো-নাইট্রোফেনলে –OH ও –NO₂ মূলক বেনজিন বলয়ের পাশাপাশি দুই কার্বনে (1,2 অবস্থান), তাই –OH-এর H একই অণুর –NO₂-এর O-এর সাথে অন্তঃআণবিক H-বন্ধন গড়ে ছয়-সদস্যের বলয় তৈরি করে (কিলেশন)। অণুগুলো একক থাকে, আন্তঃআণবিক আকর্ষণ কম — গলনাঙ্ক 45 °C, বাষ্পীয়।

প্যারা সমাণুতে মূলক দুটি দূরে (1,4), অন্তঃআণবিক H-বন্ধন সম্ভব নয়; –OH পাশের অণুর –NO₂-এর সাথে আন্তঃআণবিক H-বন্ধন গড়ে অনেক অণুকে যুক্ত (associated) করে — এগুলো ভাঙতে বাড়তি শক্তি লাগে, গলনাঙ্ক 114 °C।

৫. বরফ পানিতে ভাসে কেন? এর একটি পরিবেশগত গুরুত্ব লেখো।

বরফে প্রতিটি H₂O অণু চতুস্তলকীয়ভাবে চারটি অণুর সাথে H-বন্ধনে যুক্ত (2টি দাতা, 2টি গ্রহীতা), ফলে ফাঁকাযুক্ত ষড়ভুজাকার খোলা জালি তৈরি হয়। গলার সময় কিছু H-বন্ধন ভাঙে, জালি ধসে অণুগুলো ঘন হয়ে আসে। তাই বরফের ঘনত্ব (0.917 g cm⁻³) পানির (1.000 g cm⁻³) চেয়ে কম, বরফ ভাসে।

গুরুত্ব: হ্রদ ও সমুদ্র ওপর থেকে জমে; বরফের স্তর নিচের পানিকে ঢেকে রাখে, তলায় 4 °C-এর পানিতে জলজ প্রাণী বেঁচে থাকে।

৬. (MCQ) CCl₄, Cl₂, Ar ও HNO₃-এর মধ্যে — (ক) কোনটিতে সবচেয়ে বেশি ডাইপোল–ডাইপোল আকর্ষণ? (খ) কোনটিতে H-বন্ধন আছে? (গ) কোনটিতে বিস্তারণ বল সবচেয়ে কম?

CCl₄, Cl₂ ও Ar অপোলার (CCl₄-এর C–Cl বন্ধনগুলোর ডাইপোল চতুস্তলকীয় গঠনে কাটাকাটি হয়ে μ = 0) — এদের কেবল বিস্তারণ বল।

(ক) HNO₃ — একমাত্র পোলার অণু (μ = 2.17 D)। (খ) HNO₃ — এর –O–H মূলক H-বন্ধন গড়ে। (গ) Ar — মাত্র 18টি ইলেকট্রন (Cl₂ 34, HNO₃ 32, CCl₄ 74), তাই বিস্তারণ বল সবচেয়ে কম; স্ফুটনাঙ্ক −185.8 °C।

৭. (MCQ) H₂S (34), CH₃OH (32), C₂H₆ (30) ও Ar (40 amu)-কে স্ফুটনাঙ্কের ঊর্ধ্বক্রমে সাজাও।

ভর প্রায় সমান, তাই বলের ধরনই নির্ণায়ক। Ar: একক পরমাণু, শুধু বিস্তারণ (−185.8 °C) < C₂H₆: অপোলার, শুধু বিস্তারণ, তবে বেশি ইলেকট্রন ও বড় আকার (−88.6 °C) < H₂S: পোলার, ডাইপোল–ডাইপোল + বিস্তারণ (−60.3 °C) < CH₃OH: H-বন্ধন (64.7 °C)।

Ar < C₂H₆ < H₂S < CH₃OH