পাঠ ২ / ১৪অনুচ্ছেদ ৩.২–৩.২.২
s ও p ব্লক মৌলের ধর্ম ও বিক্রিয়াProperties & reactions of s- and p-block elements
রসায়ন শিক্ষকের সবচেয়ে প্রিয় প্রদর্শনী (demonstration): পানির পাত্রে এক টুকরো নরম রুপালি ধাতু ফেলা। নিচে নিজে লিথিয়াম (lithium), সোডিয়াম (sodium) আর পটাশিয়াম (potassium) ফেলে দেখো — পানিতে ফেনলফথ্যালিন (phenolphthalein) মেশানো আছে, ক্ষার (alkali) তৈরি হলে গোলাপি হবে:
- লিথিয়াম (Li) পানিতে ফেলে দেখো
- সোডিয়াম (Na) পানিতে ফেলে দেখো
- পটাশিয়াম (K) পানিতে ফেলে দেখো
তিনটিই একই গ্রুপের (group 1) মৌল, তিনটিরই বাইরের স্তরে একটি মাত্র ইলেকট্রন (ns¹)। তবু Li শান্তভাবে ভাসে আর K আগুন জ্বালিয়ে দেয়। নিচে নামলে পরমাণু বড় হয় — তাহলে বিক্রিয়া বাড়ে কেন? আর পর্যায় সারণির ডান দিকের p-ব্লকের মৌলরা (যেমন C, Si, N, Cl, Xe) কীভাবে আচরণ করে?
এই পাঠে ধাপে ধাপে এগোব:
- s-ব্লক (s-block) মৌলের ভৌত ধর্ম (physical properties) — নরম, হালকা, কম গলনাঙ্ক
- s-ব্লকের রাসায়নিক ধর্ম — পানি, অক্সিজেন, নাইট্রোজেন; কেরোসিনে সংরক্ষণ
- গ্রুপ ২ আর বেরিলিয়ামের ব্যতিক্রম (anomaly)
- p-ব্লকের সাধারণ ধর্ম ও নিষ্ক্রিয় জোড় প্রভাব (inert-pair effect)
- গ্রুপ ১৩: উভধর্মী (amphoteric) Al₂O₃, নিষ্ক্রিয়করণ (passivation), AlCl₃-এর গঠন
- গ্রুপ ১৪: CO₂ বনাম SiO₂, ক্লোরাইডের আর্দ্র বিশ্লেষণ (hydrolysis)
- গ্রুপ ১৫ ও ১৬: নিষ্ক্রিয় N₂, NH₃ বনাম PH₃, H₂O বনাম H₂S
- গ্রুপ ১৭: হ্যালোজেন (halogen) ও প্রতিস্থাপন বিক্রিয়া (displacement reaction)
- গ্রুপ ১৮: নিষ্ক্রিয় গ্যাস (noble gas) আর জেনন ফ্লোরাইড
- এবার নিজে করে দেখো — ভার্চুয়াল ল্যাব (virtual lab)
ধাপ ১: s-ব্লক মৌল — পরিচয় ও ভৌত ধর্ম
আগের পাঠে দেখেছ, যে মৌলের শেষ ইলেকট্রন s-উপস্তরে (s-subshell) ঢোকে, সেটি s-ব্লক মৌল: গ্রুপ ১ (ns¹) — ক্ষার ধাতু (alkali metals) Li, Na, K, Rb, Cs, Fr; আর গ্রুপ ২ (ns²) — মৃৎ-ক্ষার ধাতু (alkaline-earth metals) Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra। (H আর He-ও s-ব্লকে, কিন্তু এরা ধাতু নয়।)
বাইরের ১টি বা ২টি ইলেকট্রন সহজেই ছেড়ে দেয়, তাই এদের আয়নীকরণ শক্তি (ionisation energy, IE) কম। ফলে:
- এরা M⁺ (গ্রুপ ১) ও M²⁺ (গ্রুপ ২) আয়ন বানিয়ে আয়নিক যৌগ (ionic compound) তৈরি করে; আয়নগুলোতে বিজোড় ইলেকট্রন নেই, তাই যৌগগুলো সাধারণত বর্ণহীন (colourless) আর ডায়াচৌম্বক (diamagnetic)।
- এরা শক্তিশালী বিজারক (reducing agent) — ইলেকট্রন দিয়ে দেয়।
- ধাতব বন্ধন (metallic bonding) দুর্বল (প্রতি পরমাণু মাত্র ১–২টি ইলেকট্রন দেয়), তাই ধাতুগুলো নরম — Na ছুরি দিয়ে কাটা যায় — আর গলনাঙ্ক (melting point) কম।
- Li, Na, K পানির চেয়েও হালকা (ঘনত্ব, density < 1 g cm⁻³)।
- শিখায় রং দেয় (Li টকটকে লাল, Na সোনালি হলুদ, K হালকা বেগুনি, Ca ইটের মতো লাল, Sr টকটকে লাল, Ba আপেল সবুজ); Be আর Mg কোনো রং দেয় না — শিখা পরীক্ষার পাঠে এর কারণ দেখেছ।
গ্রুপে নিচে নামলে সক্রিয়তা (reactivity) বাড়ে কেন? নিচে নামলে নতুন শক্তিস্তর (shell) যোগ হয়: বাইরের ইলেকট্রন নিউক্লিয়াস (nucleus) থেকে দূরে যায়, আর ভেতরের স্তরগুলো নিউক্লিয়াসের টান আড়াল করে (shielding)। তাই ইলেকট্রনটি ছাড়া সহজ হয় — IE₁ কমে: Li 520, Na 496, K 419, Rb 403, Cs 376 kJ mol⁻¹। পরমাণু বড় হওয়াটাই সক্রিয়তা বাড়ার কারণ!
প্রমাণ বিজারণ বিভব (standard reduction potential, E°) অনুযায়ী Li সবচেয়ে শক্তিশালী বিজারক (E° = −3.04 V; K −2.93 V, Na −2.71 V)। তাহলে Li পানির সঙ্গে K-এর চেয়ে ধীরে বিক্রিয়া করে কেন?
ধাপ ২: s-ব্লকের রাসায়নিক ধর্ম
পানির সঙ্গে: গ্রুপ ১-এর সব ধাতু ঠান্ডা পানির সঙ্গে বিক্রিয়া করে হাইড্রক্সাইড (hydroxide) ক্ষার আর H₂ গ্যাস দেয় — এজন্যই নাম “ক্ষার ধাতু”:
অক্সিজেনের সঙ্গে: বইয়ের মতো সবাই M₂O দেয় না। অতিরিক্ত অক্সিজেনে (excess O₂) পোড়ালে প্রধান উৎপাদ:
| ধাতু | উৎপাদ | ধরন | অ্যানায়ন |
|---|---|---|---|
| Li | Li₂O | সাধারণ অক্সাইড (oxide) | O²⁻ |
| Na | Na₂O₂ | পারঅক্সাইড (peroxide) | O₂²⁻ |
| K, Rb, Cs | KO₂, RbO₂, CsO₂ | সুপারঅক্সাইড (superoxide) | O₂⁻ |
বড় ক্যাটায়ন (cation) বড় অ্যানায়নকে (anion) কেলাসে ভালোভাবে ধরে রাখতে পারে, তাই নিচে নামলে বড় O₂²⁻ ও O₂⁻ আয়ন স্থিতিশীল হয়।
নাইট্রোজেনের সঙ্গে: ক্ষার ধাতুর মধ্যে শুধু Li বাতাসের N₂-এর সঙ্গে সরাসরি বিক্রিয়া করে নাইট্রাইড (nitride) বানায়: । গ্রুপ ২-এর ধাতুও গরম করলে নাইট্রাইড দেয়, যেমন ; নাইট্রাইড গরম পানিতে আর্দ্র বিশ্লেষিত হয়ে NH₃ দেয়: ।
সোডিয়াম কেরোসিনে কেন? খোলা বাতাসে কাটা Na-এর চকচকে তল কয়েক সেকেন্ডেই ঘোলা হয়: , তারপর আর্দ্রতায় NaOH, তারপর CO₂-এর সঙ্গে Na₂CO₃। পানিতে রাখলে তো বিক্রিয়ার তাপে H₂ জ্বলে উঠতে পারে। কেরোসিন (kerosene) একটি হাইড্রোকার্বন — Na-এর সঙ্গে বিক্রিয়া করে না, আর Na (ঘনত্ব 0.97 g cm⁻³) এর নিচে ডুবে থাকে (কেরোসিন প্রায় 0.8)। কিন্তু Li (0.53) কেরোসিনে ভাসে, তাই Li রাখা হয় মোম (paraffin wax) বা পেট্রোলিয়াম জেলিতে, বা আর্গন গ্যাসে।
একটি ক্ষার ধাতু অতিরিক্ত অক্সিজেনে পুড়িয়ে কমলা-হলুদ কঠিন পাওয়া গেল, যার অ্যানায়ন O₂⁻। ধাতুটি কোনটি হতে পারে?
ধাপ ৩: গ্রুপ ২ আর বেরিলিয়ামের ব্যতিক্রম
গ্রুপ ২-এর মৌল দুটি ইলেকট্রন ছাড়ে, তাই গ্রুপ ১-এর চেয়ে কম সক্রিয়: Ca, Sr, Ba ঠান্ডা পানির সঙ্গে ধীরে বিক্রিয়া করে (), Mg শুধু গরম পানি বা জলীয় বাষ্পে (steam) দ্রুত বিক্রিয়া করে, আর Be পানির সঙ্গে প্রায় বিক্রিয়াই করে না।
গ্রুপের প্রথম সদস্য বেরিলিয়াম (Be) অন্যদের থেকে আলাদা আচরণ করে, কারণ Be²⁺ আয়ন অত্যন্ত ছোট (45 pm) আর তার চার্জ ঘনত্ব (charge density) খুব বেশি:
- Be-এর যৌগগুলো মূলত সমযোজী (covalent) — যেমন BeCl₂; মুক্ত Be²⁺ আয়ন প্রায় পাওয়া যায় না।
- BeO আর Be(OH)₂ উভধর্মী (amphoteric) — এসিড ও ক্ষার দুটোতেই দ্রবীভূত হয়; অন্য গ্রুপ ২-এর অক্সাইড ক্ষারকীয় (basic)।
- Be-এর গলনাঙ্ক সবচেয়ে বেশি (1287 °C)।
- এ দিক থেকে Be অনেকটা Al-এর মতো — একে বলে কর্ণ সম্পর্ক (diagonal relationship)। একইভাবে Li অনেকটা Mg-এর মতো: Li₂CO₃ আর LiF কম দ্রবণীয়, Li সরাসরি নাইট্রাইড বানায় — ঠিক Mg-এর মতো।
নিচের কোন জোড়া একই ধরনের অক্সাইড — দুটোই উভধর্মী (amphoteric)?
ধাপ ৪: p-ব্লকের সাধারণ ধর্ম ও নিষ্ক্রিয় জোড় প্রভাব
গ্রুপ ১৩ থেকে ১৮ (ns²np¹ থেকে ns²np⁶) হলো p-ব্লক। s-ব্লক আর p-ব্লক মিলে প্রতিনিধি মৌল (representative elements)। p-ব্লকে তিন ধরনের মৌলই আছে: ধাতু (Al, Sn, Pb …), অপধাতু (metalloid: B, Si, Ge, As, Sb, Te) আর অধাতু (non-metal: C, N, O, F, Cl …)। পর্যায়ের বাম থেকে ডানে অধাতব ধর্ম আর জারণ ক্ষমতা (oxidising power) বাড়ে; গ্রুপে নিচে নামলে ধাতব ধর্ম বাড়ে।
p-ব্লকের মৌলের একাধিক জারণ অবস্থা (oxidation state) থাকে: গ্রুপ নম্বর থেকে ১০ বাদ দিলে সর্বোচ্চ জারণ অবস্থা (গ্রুপ ১৪ → +4), আর তার থেকে ২ কম আরেকটি (+2)। নিচে নামলে নিচের অবস্থাটিই বেশি স্থিতিশীল হয়, কারণ ভারী পরমাণুর ns² জোড়াটি বন্ধনে অংশ নিতে চায় না — নিষ্ক্রিয় জোড় প্রভাব (inert-pair effect):
যেমন থ্যালিয়াম (thallium) HCl-এর সঙ্গে TlCl দেয় (Tl⁺), TlCl₃ নয়; আর লেড (lead) জ্বালালে PbO হয়, PbO₂ নয়।
SnCl₂ একটি পরিচিত বিজারক (reducing agent), কিন্তু PbO₂ একটি শক্তিশালী জারক (oxidising agent)। কেন?
ধাপ ৫: গ্রুপ ১৩ — বোরন ও অ্যালুমিনিয়াম
গ্রুপের প্রথম সদস্য বোরন (boron, B) অপধাতু, বাকিরা (Al, Ga, In, Tl) ধাতু। নিচে নামলে অক্সাইডের ধর্ম অম্লীয় থেকে ক্ষারকীয়ের দিকে যায়:
- B₂O₃ অম্লীয় (acidic): পানিতে বোরিক এসিড দেয় — ।
- Al₂O₃ উভধর্মী (amphoteric): এসিডের সঙ্গে ক্ষারকের মতো, ক্ষারের সঙ্গে এসিডের মতো আচরণ করে:
(বইয়ের উচ্চ তাপে গলানো (fusion) অবস্থার সমীকরণ; জলীয় দ্রবণে অ্যালুমিনেট আয়ন [Al(OH)₄]⁻।)
অ্যালুমিনিয়ামের অক্সাইড আবরণ: Al খুব সক্রিয় ধাতু, তবু হাঁড়ি-পাতিল পানিতে টেকে, কারণ এর গায়ে কয়েক ন্যানোমিটার পুরু শক্ত Al₂O₃ আবরণ থাকে। গাঢ় নাইট্রিক এসিড (conc. HNO₃) এই আবরণকে আরও পুরু করে দেয়, ফলে Al আর বিক্রিয়াই করে না — একে বলে নিষ্ক্রিয়করণ (passivation)। এজন্য গাঢ় HNO₃ অ্যালুমিনিয়ামের ট্যাংকে পরিবহন করা হয়।
AlCl₃ ও Al₂Cl₆: AlCl₃-এ Al-এর চারপাশে মাত্র 6টি ইলেকট্রন — অষ্টক অপূর্ণ (incomplete octet)। পাশের অণুর Cl-এর নিঃসঙ্গ জোড় (lone pair) নিয়ে সে সন্নিবেশ বন্ধন (coordinate bond) গঠন করে:
AlCl₃ পানিতে আর্দ্র বিশ্লেষিত হয়ে অম্লীয় দ্রবণ দেয়; আর্দ্র বাতাসে HCl-এর ধোঁয়া ছাড়ে: ।
একটি অজানা সাদা অক্সাইড পানিতে অদ্রবণীয়, কিন্তু গরম লঘু HCl আর গরম NaOH দ্রবণ দুটোতেই দ্রবীভূত হয়। অক্সাইডটি কোন ধরনের?
ধাপ ৬: গ্রুপ ১৪ — CO₂ বনাম SiO₂ আর ক্লোরাইডের আর্দ্র বিশ্লেষণ
কার্বন আর সিলিকন একই গ্রুপে, অথচ CO₂ গ্যাস আর SiO₂ (বালু, কোয়ার্টজ) প্রচণ্ড শক্ত কঠিন। কারণ ছোট C পরমাণু O-এর সঙ্গে শক্ত দ্বিবন্ধন (C=O double bond) করে আলাদা আলাদা O=C=O অণু বানায়, যাদের মধ্যে আকর্ষণ দুর্বল — তাই 1 atm চাপে শুকনো বরফ (dry ice) −78.5 °C-এ সরাসরি গ্যাস হয়ে যায় (ঊর্ধ্বপাতন, sublimation)। বড় Si পরমাণু দ্বিবন্ধন ভালো করতে পারে না; প্রতিটি Si চারটি O-এর সঙ্গে একক বন্ধনে যুক্ত হয়ে বিশাল ত্রিমাত্রিক জালক (giant covalent network) বানায় — SiO₂-এর গলনাঙ্ক প্রায় 1713 °C।
আর্দ্র বিশ্লেষণ (hydrolysis) মানে পানির সঙ্গে বিক্রিয়ায় যৌগের ভেঙে যাওয়া। SiCl₄ পানিতে দিলে ধোঁয়া ছেড়ে তীব্র বিক্রিয়া করে, কিন্তু CCl₄ পানির নিচে আলাদা স্তর হয়ে চুপচাপ পড়ে থাকে। পানির অণু তার O-এর নিঃসঙ্গ জোড় নিয়ে কেন্দ্রীয় পরমাণুকে আক্রমণ করে — এর জন্য দুটি জিনিস লাগে: (১) পৌঁছানোর জায়গা আর (২) নিঃসঙ্গ জোড় বসানোর একটি খালি নিচু-শক্তির অরবিটাল (low-lying empty orbital)। নিচে ছয়টি অণু একে একে পানিতে দিয়ে দেখো:
দেখা হয়েছে (tried): 0/6 · অণুর আকার ও ফাঁক বোঝানোর জন্য বাড়িয়ে আঁকা (illustrative, not to scale)।
CCl₄-এর আর্দ্র বিশ্লেষণ শক্তির হিসাবে অনুকূল, কিন্তু বাস্তবে এত ধীর যে ঘটে না বললেই চলে — এটি গতিবিদ্যাগত নিষ্ক্রিয়তা (kinetic inertness)। বই বলে “আর্দ্র বিশ্লেষণের প্রথম শর্ত খালি d-অরবিটাল”; কিন্তু BCl₃ আর NCl₃-এর কোনো d-অরবিটাল লাগে না, তবু তারা আর্দ্র বিশ্লেষিত হয়।
BCl₃ দ্রুত আর্দ্র বিশ্লেষিত হয়, যদিও B দ্বিতীয় পর্যায়ের মৌল (কোনো 2d অরবিটাল নেই)। এর কারণ কী?
ধাপ ৭: গ্রুপ ১৫ ও ১৬ — নাইট্রোজেন, ফসফরাস, অক্সিজেন, সালফার
N₂ কেন নিষ্ক্রিয়? N₂ অণুর দুটি N পরমাণু একটি σ আর দুটি π বন্ধন দিয়ে ত্রিবন্ধন (N≡N triple bond) গঠন করে, যার বন্ধন শক্তি (bond enthalpy) 945 kJ mol⁻¹ — সবচেয়ে শক্ত বন্ধনগুলোর একটি। তাই সাধারণ তাপমাত্রায় N₂ প্রায় কিছুর সঙ্গেই বিক্রিয়া করে না, আর খাবারের প্যাকেট বা পরীক্ষাগারে নিষ্ক্রিয় মাধ্যম (inert atmosphere) হিসেবে ব্যবহার হয়। (N₂ আর O₂ শুধু বিদ্যুৎ চমক বা ইঞ্জিনের প্রচণ্ড তাপে NO দেয়: ।)
NH₃ বনাম PH₃: দুটিরই কেন্দ্রীয় পরমাণুতে একটি নিঃসঙ্গ জোড় আছে, তাই দুটিই লুইস ক্ষারক (Lewis base) — H⁺ গ্রহণ করে: (pKb = 4.75)। কিন্তু PH₃ অনেক দুর্বল ক্ষারক। বড় P পরমাণুর নিঃসঙ্গ জোড় বড় s-চরিত্রের অরবিটালে ছড়িয়ে থাকে, ঘনত্ব কম — H⁺-কে ভালো ধরতে পারে না। একই কারণে PH₃-এর বন্ধন কোণ মাত্র 93.3° (NH₃ 106.7°)।
NCl₃ বনাম PCl₃: দুটিই আর্দ্র বিশ্লেষিত হয়, কিন্তু উৎপাদ উল্টো! (ওপরের সিমুলেশনে দেখেছ)
NCl₃-এ N-এর খালি অরবিটাল নেই, তাই পানি Cl-কে আক্রমণ করে; PCl₃-এ পানি সরাসরি বড় P-কে আক্রমণ করে। আর NF₃ আর্দ্র বিশ্লেষিতই হয় না। মনে রাখো, N₂ আর Cl₂ সরাসরি বিক্রিয়া করে NCl₃ বানায় না — NCl₃ (বিস্ফোরক তেলতেলে তরল) তৈরি হয় NH₄Cl দ্রবণে Cl₂ চালনা করে।
H₂O তরল, H₂S গ্যাস: O ছোট আর অত্যন্ত তড়িৎ ঋণাত্মক (electronegative), তাই পানির অণুগুলো পরস্পরের সঙ্গে শক্ত হাইড্রোজেন বন্ধন (hydrogen bond) করে — ছাড়াতে অনেক শক্তি লাগে, স্ফুটনাঙ্ক 100 °C। S বড় ও কম তড়িৎ ঋণাত্মক, তাই H₂S-এ হাইড্রোজেন বন্ধন প্রায় নেই; স্ফুটনাঙ্ক −60.3 °C। H₂S কিন্তু পোলার (polar) অণু (μ = 0.97 D) — বাঁকা আকৃতির, শুধু পোলারিটি পানির চেয়ে কম।
SF₆ আছে, OF₄ নেই: S তৃতীয় পর্যায়ের বড় পরমাণু, তার চারপাশে ছয়টি F-এর জায়গা হয় আর সে অষ্টকের বেশি ইলেকট্রন ধরে রাখতে পারে (প্রসারিত অষ্টক, expanded octet)। দ্বিতীয় পর্যায়ের ছোট O-এর চারপাশে সর্বোচ্চ ৪ জোড়া ইলেকট্রন থাকতে পারে, তাই OF₄ বা OF₆ হয় না — শুধু OF₂।
H₂S সাধারণ তাপমাত্রায় গ্যাস, কিন্তু H₂O তরল। কোন ব্যাখ্যাটি সঠিক?
ধাপ ৮: গ্রুপ ১৭ — হ্যালোজেন
হ্যালোজেন (halogen) মানে “লবণ তৈরিকারী”। বাইরের স্তরে 7টি ইলেকট্রন (ns²np⁵), একটি পেলেই অষ্টক — তাই এরা শক্তিশালী জারক (oxidising agent), X⁻ আয়ন বানায়।
| হ্যালোজেন | 25 °C-এ অবস্থা ও রং | স্ফুটনাঙ্ক (°C) | X–X বন্ধন শক্তি (kJ mol⁻¹) | E°(X₂/X⁻) (V) |
|---|---|---|---|---|
| F₂ | গ্যাস, হালকা হলুদ | −188.1 | 159 | +2.87 |
| Cl₂ | গ্যাস, হলদে-সবুজ | −34.0 | 243 | +1.36 |
| Br₂ | তরল, লালচে-বাদামি | 58.8 | 193 | +1.09 |
| I₂ | কঠিন, কালচে-ধূসর (বাষ্প বেগুনি) | 184.3 | 151 | +0.54 |
নিচে নামলে অণু বড় হয়, ইলেকট্রন বেশি — লন্ডন বল (London dispersion force) বাড়ে, তাই গ্যাস → তরল → কঠিন। আর জারণ ক্ষমতা কমে: F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂। বেশি শক্তিশালী জারক দুর্বলতরের হ্যালাইড আয়ন থেকে ইলেকট্রন কেড়ে নিয়ে তাকে মুক্ত করে দেয় — প্রতিস্থাপন বিক্রিয়া (displacement reaction)। নিচে নিজে পরীক্ষা করো:
বোতল বেছে নিয়ে নিচের যেকোনো টিউবে চাপ দাও — বোতলের দ্রবণ ঢালা হবে।
ফলাফল সারণি (results): 0/6 জোড়া পরীক্ষা হয়েছে। রং বোঝানোর জন্য — আসল রং ঘনমাত্রা (concentration) অনুযায়ী হালকা-গাঢ় হয়।
F₂ এত শক্তিশালী যে পানিকেই জারিত করে: । Cl₂ পানির সঙ্গে ধীরে অসামঞ্জস্যতা বিক্রিয়া (disproportionation) করে — একই Cl একসঙ্গে জারিত (+1) ও বিজারিত (−1) হয়: ।
হাইড্রোজেন হ্যালাইডের অম্লত্ব: জলীয় দ্রবণে অম্লের শক্তি HF ≪ HCl < HBr < HI। HF দুর্বল এসিড (pKa 3.17), কারণ H–F বন্ধন অত্যন্ত শক্ত (567 kJ mol⁻¹); নিচে নামলে H–X বন্ধন দুর্বল হয় (HI 299 kJ mol⁻¹), H⁺ ছাড়া সহজ হয়। (HCl, HBr, HI-এর pKa ঋণাত্মক — প্রায় −6, −9, −10; এগুলো আনুমানিক মান, বিভিন্ন উৎসে আলাদা।)
একটি টেস্টটিউবে KCl দ্রবণে আয়োডিন দ্রবণ দিয়ে হেক্সেন মিশিয়ে ঝাঁকানো হলো। হেক্সেন স্তর বেগুনি হলো। এ থেকে কী বলা যায়?
ধাপ ৯: গ্রুপ ১৮ — নিষ্ক্রিয় গ্যাস ও জেননের যৌগ
He (1s²) আর Ne থেকে Rn (ns²np⁶) — পূর্ণ বাইরের স্তর, আয়নীকরণ শক্তি খুব বেশি, ইলেকট্রন আসক্তি নেই। তাই এরা প্রায় বিক্রিয়াই করে না, একপরমাণুক (monatomic) গ্যাস হিসেবে থাকে। ব্যবহার: He — বেলুন, MRI যন্ত্রের শীতলীকরণ, ডুবুরির শ্বাসের গ্যাস; Ne — বিজ্ঞাপনের লাল আলো; Ar — বাল্ব ভরা আর ওয়েল্ডিংয়ে (welding) নিষ্ক্রিয় পরিবেশ; Kr, Xe — উজ্জ্বল বাতি।
তবে “নিষ্ক্রিয়” পুরোপুরি সত্য নয়। বড় Xe পরমাণুর বাইরের ইলেকট্রন নিউক্লিয়াস থেকে অনেক দূরে, IE₁ মাত্র 1170 kJ mol⁻¹ (O₂ অণুর প্রায় সমান)। সবচেয়ে শক্তিশালী জারক F₂ তাই Xe-কেও জারিত করে (1962, নিল বার্টলেট — Neil Bartlett-এর আবিষ্কারের পর):
XeF₂ তৈরি হয় Xe বেশি রেখে গরম করে (প্রায় 400 °C); XeF₄ হয় Xe : F₂ ≈ 1 : 5, 400 °C, প্রায় 6 atm চাপে; আর XeF₆-এর জন্য লাগে অনেক বেশি F₂ (প্রায় 1 : 20) আর প্রায় 60 atm চাপ (Greenwood & Earnshaw)। আকৃতি আসে VSEPR তত্ত্ব থেকে — বন্ধন জোড় আর নিঃসঙ্গ জোড় মিলে:
XeF₄ অণুতে Xe-এর চারপাশে কয়টি বন্ধন জোড় ও কয়টি নিঃসঙ্গ জোড়, আর আকৃতি কেমন?
ধাপ ১০: এবার নিজে করে দেখো — s ও p ব্লক বিক্রিয়ার ভার্চুয়াল ল্যাব
এখন তুমি ল্যাবে। তাকে 11টি নমুনা (sample): Li, Na, K, Mg ফিতা, Al পাত, Al₂O₃, CCl₄, SiCl₄ আর KCl, KBr, KI দ্রবণ। বিকারকের (reagent) তাকে পানি, লঘু HCl, NaOH দ্রবণ, গাঢ় HNO₃, অক্সিজেন জার, আর্দ্র বাতাস, কেরোসিন, আর তিনটি হ্যালোজেন দ্রবণ।
- একটি নমুনা বেছে নাও, তারপর একটি বিকারক চাপো — যা ঘটে তা ছবিতে দেখো, পর্যবেক্ষণ (observation) আর সমীকরণ (equation) নিজে থেকেই খাতায় লেখা হবে।
- হ্যালোজেন দিয়ে পরীক্ষার পর হেক্সেন দাও ও ঝাঁকাও — কোন হ্যালোজেন মুক্ত আছে, হেক্সেন স্তরের রং বলে দেবে।
- কিছু মিশ্রণ বিপজ্জনক (যেমন ক্ষার ধাতু + এসিড) — ল্যাব সেগুলো করবে না, শুধু কারণ বলবে। আর যে মিশ্রণের ফল ল্যাবের সারণিতে নেই, সেখানে ল্যাব অনুমানে কিছু বানাবে না।
- ছয়টি চ্যালেঞ্জ শেষ করো।
s ও p ব্লক বিক্রিয়ার ভার্চুয়াল ল্যাব
Group reactions lab — s- and p-block১. নমুনা বেছে নাও (sample)
২. বিকারক দাও (reagent) — সোডিয়াম-এ
সোডিয়াম (sodium) বাছা হয়েছে। এবার একটি বিকারক (reagent) চাপো — ফল এখানে দেখাবে, আর খাতায় নিজে থেকে লেখা হবে।
রং, বুদবুদ আর শিখার গতি বোঝানোর জন্য আঁকা (illustrative); উৎপাদ ও সমীকরণ প্রামাণ্য উৎস (Greenwood & Earnshaw, CRC) থেকে।
চ্যালেঞ্জ (challenges)
0/6- Li, Na আর K — তিনটিকেই পানিতে দাও, তীব্রতা অনুযায়ী সাজাও (rank by reactivity) (0/3)
- দেখাও যে Al₂O₃ উভধর্মী (amphoteric) — এসিড ও ক্ষার দুটোতেই দাও
- Al পাতে গাঢ় HNO₃ দাও — কী ঘটে, কেন?
- কোন ক্লোরাইড আর্দ্র বিশ্লেষিত হয় না? CCl₄ আর SiCl₄ দুটোকেই পানিতে দাও
- হ্যালোজেন পানি আর হ্যালাইড দ্রবণ দিয়ে জারণ ক্ষমতার (oxidising power) ক্রম বের করো — অন্তত একবার হেক্সেন ব্যবহার করো (0/3, হেক্সেন বাকি)
- সোডিয়াম কেন কেরোসিনে রাখা হয়? Na-কে বাতাসে আর কেরোসিনে রেখে তুলনা করো
ব্যবহারিক খাতা (practical notebook)
এখনো কিছু মেশানো হয়নি। প্রতিটি পরীক্ষা নিজে থেকেই এখানে লেখা হবে: কী মেশালে, পর্যবেক্ষণ (observation), সমীকরণ (equation)।
বই পড়ার সময় সাবধান — পাঠ্যবইয়ের এই অংশে অনেক ভুল আছে:
- বই বলছে “Li-লবণ পানিতে কম দ্রবণীয়… LiCl, LiBr, LiI”। ভুল — LiCl, LiBr, LiI পানিতে অত্যন্ত দ্রবণীয় (প্রায় 84, 166, 165 g/100 g পানি; CRC)। শুধু LiF, Li₂CO₃, Li₃PO₄ কম দ্রবণীয়।
- গ্রুপ ১-এর চার্টে সব ক্ষার ধাতুর জন্য “6M + N₂ → 2M₃N” — আসলে শুধু Li সরাসরি N₂-এর সঙ্গে বিক্রিয়া করে। আর “4M + O₂ → 2M₂O” সবার জন্য নয়: অতিরিক্ত O₂-এ Na দেয় Na₂O₂, K/Rb/Cs দেয় MO₂।
- গ্রুপ ২-এর চার্টে “G + H₂ → GH₂” Be-এর জন্য খাটে না (BeH₂ সরাসরি তৈরি হয় না); Be + C দেয় Be₂C, BeC₂ নয়; “Mg₂N₂” ছাপার ভুল — হবে Mg₃N₂। Be-এর গলনাঙ্ক 1278 নয়, 1287 °C।
- বইয়ে (সমস্যা ৩.২.৭ সহ) “2Al + 12HNO₃ → 2Al(NO₃)₃ + 6NO₂ + 6H₂O” — গাঢ় HNO₃ Al-এর সঙ্গে এভাবে বিক্রিয়া করে না; বরং অক্সাইড আবরণ পুরু করে Al-কে নিষ্ক্রিয় (passive) করে দেয়।
- “2M + 6HCl → 2MCl₃, M = … Tl” — Tl দেয় TlCl (Tl⁺, নিষ্ক্রিয় জোড়)। “2M + N₂ → 2MN” In আর Tl-এর জন্য খাটে না।
- বই বলছে কঠিন AlCl₃-এ Al₂Cl₆ ডাইমার অণু থাকে আর 180 °C-এ “ডাইমার ভেঙে মনোমার AlCl₃” হয়ে ঊর্ধ্বপাতিত হয়। আসলে কঠিন AlCl₃ একটি স্তর জালি (layer lattice), যেখানে প্রতিটি Al-এর চারপাশে 6টি Cl; 180 °C-এ এটি Al₂Cl₆ ডাইমার হিসেবে বাষ্প হয়, মনোমার হয় অনেক বেশি তাপে। বইয়ের কোণ 79° ও 118°-এর বদলে মাপা মান প্রায় 91° (সেতু) ও 122° (প্রান্তীয়)।
- “M + 2Cl₂ → MCl₄, M = C, Si, Ge, Sn, Pb” — C সরাসরি Cl₂-এর সঙ্গে বিক্রিয়া করে না, আর Pb দেয় PbCl₂ (PbCl₄ প্রায় 50 °C-এই ভেঙে যায়)। “Si + 2H₂ → SiH₄”-এর মতো সরাসরি হাইড্রাইড তৈরিও হয় না।
- “সব গ্রুপ ১৪ মৌল পুড়ে +4 অক্সাইড দেয়, PbO₂ সহ” — Pb পুড়ে দেয় PbO। আর Pb + NaOH দেয় প্লাম্বাইট (plumbite, Na₂PbO₂), প্লাম্বেট (Na₂PbO₃) নয়।
- কঠিন CO₂-এর “গলনাঙ্ক −56 °C” — 1 atm চাপে শুকনো বরফ গলে না, −78.5 °C-এ ঊর্ধ্বপাতিত হয়; −56.6 °C হলো 5.1 atm চাপে ত্রৈধ বিন্দু (triple point)। SiO₂-এর গলনাঙ্ক প্রায় 1713 °C, স্ফুটনাঙ্ক প্রায় 2950 °C।
- “আর্দ্র বিশ্লেষণের প্রথম শর্ত খালি d-অরবিটাল” — BCl₃ আর NCl₃ d-অরবিটাল ছাড়াই আর্দ্র বিশ্লেষিত হয়। CCl₄-এর নিষ্ক্রিয়তা মূলত গতিবিদ্যাগত (kinetic)।
- “N₂ + 3Cl₂ → 2NCl₃” (সমস্যা ৩.২.১২ সহ) — N₂ আর Cl₂ বিক্রিয়া করে না; NCl₃ তৈরি হয় NH₄Cl + Cl₂ থেকে। BiCl₅-এর অস্তিত্ব নেই। “2N₂ + 5O₂ → 2N₂O₅” বাস্তব বিক্রিয়া নয়, আর “2M + 3O₂ → M₂O₃” সমীকরণটি সমতাবিধান করা (balanced) নয়: হবে 4M + 3O₂ → 2M₂O₃।
- “SF₄ ত্রিভুজাকার দ্বিপিরামিড” — এটি ইলেকট্রন জোড়ের বিন্যাস; অণুর আকৃতি সি-স (see-saw)।
- “H₂S হলো অপোলার অণু” — ভুল। H₂S পোলার (μ = 0.97 D); এটি গ্যাস কারণ হাইড্রোজেন বন্ধন প্রায় নেই। আর “SCl₆” নামে কোনো যৌগ নেই।
- “F₂ + H₂O → 2HF + O₂” সমতাবিধান করা নয় — হবে 2F₂ + 2H₂O → 4HF + O₂। “Cl₂ পানিকে জারিত করতে পারে না” কথাটি বইয়েরই আরেক পৃষ্ঠার (2Cl₂ + 2H₂O → 4HCl + O₂) সঙ্গে সাংঘর্ষিক; বিক্রিয়াটি শক্তির হিসাবে সম্ভব, শুধু ধীর।
- XeF₆-কে বলা হয়েছে “পঞ্চভুজীয় পিরামিড” — আসলে বিকৃত অষ্টতলকীয় (distorted octahedral)। XeF₆ তৈরির শর্ত “6 atm” নয় — লাগে অনেক বেশি F₂ আর প্রায় 60 atm। আর জেনন হ্যালোজেন নয়, নিষ্ক্রিয় গ্যাস।
ঘরে বসে পরীক্ষা: অ্যালুমিনিয়ামের অদৃশ্য বর্ম
অ্যালুমিনিয়ামের গায়ের পাতলা অক্সাইড আবরণ (oxide film) কতটা রক্ষা করে, তা রান্নাঘরেই দেখা যায়।
- দুটি পরিষ্কার কাচের গ্লাসে সমান পরিমাণ (আধা কাপ) সাদা ভিনেগার (vinegar, লঘু অ্যাসিটিক এসিড) নাও।
- দ্বিতীয় গ্লাসে দুই চামচ খাবার লবণ (NaCl) মিশিয়ে গলাও।
- প্রতিটি গ্লাসে একই মাপের (প্রায় 3 cm × 3 cm) রান্নাঘরের অ্যালুমিনিয়াম ফয়েল (aluminium foil) ডুবিয়ে দাও।
- ১ ঘণ্টা, ৬ ঘণ্টা আর পরদিন দেখো: কোন গ্লাসের ফয়েলের গায়ে ছোট বুদবুদ (H₂) জমছে, কোনটি ঝাপসা হয়ে ক্ষয়ে (corrode) যাচ্ছে? খাতায় লেখো।
শুধু ভিনেগারে ফয়েল প্রায় অক্ষত থাকে — দুর্বল এসিড অক্সাইড আবরণ ভাঙতে পারে না। লবণ মেশানো গ্লাসে Cl⁻ আয়ন আবরণের দুর্বল জায়গা দিয়ে ঢুকে তাকে ভেঙে দেয়, তখন খালি Al এসিডের সঙ্গে ধীরে বিক্রিয়া করে। এজন্য লবণাক্ত টক খাবার (আচার, টক) অ্যালুমিনিয়ামের পাত্রে বেশিক্ষণ রাখা উচিত নয়।
নিরাপত্তা: শুধু ভিনেগার, খাবার লবণ আর ফয়েল ব্যবহার করো। কোনো শক্তিশালী এসিড, টয়লেট ক্লিনার বা ড্রেন ক্লিনার (এতে NaOH থাকে — Al-এর সঙ্গে তীব্র বিক্রিয়ায় দাহ্য H₂ দেয়) ব্যবহার করবে না। পরীক্ষার দ্রবণ খাবে না; শেষে প্রচুর পানি দিয়ে বেসিনে ফেলে দাও।
পরীক্ষার প্রস্তুতি
১. সোডিয়াম ধাতুকে কেরোসিনের মধ্যে সংরক্ষণ করা হয় কেন? লিথিয়ামকে কেন একইভাবে রাখা যায় না?
Na অত্যন্ত সক্রিয় (IE₁ 496 kJ mol⁻¹)। বাতাসে রাখলে O₂, জলীয় বাষ্প ও CO₂-এর সঙ্গে বিক্রিয়া করে নষ্ট হয়:
পানিতে রাখলে তীব্র বিক্রিয়ায় H₂ ও তাপ উৎপন্ন হয়ে আগুন ধরতে পারে: । কেরোসিন হাইড্রোকার্বন — Na-এর সঙ্গে বিক্রিয়া করে না, এতে পানি বা O₂ প্রায় নেই, আর Na (0.97 g cm⁻³) কেরোসিনের (প্রায় 0.8 g cm⁻³) নিচে ডুবে থাকে। Li-এর ঘনত্ব 0.53 g cm⁻³ — কেরোসিনে ভেসে উঠে বাতাসের সংস্পর্শে আসে, তাই Li রাখা হয় মোম বা পেট্রোলিয়াম জেলির ভেতরে, বা আর্গনে।
২. Al₂O₃ একটি উভধর্মী অক্সাইড — সমীকরণসহ প্রমাণ করো। Al পাত গাঢ় HNO₃-এ রাখলে কী ঘটে?
এসিডের সঙ্গে ক্ষারকের মতো:
ক্ষারের সঙ্গে এসিডের মতো: (উচ্চ তাপে গলিয়ে: )
এসিড ও ক্ষার দুটোর সঙ্গে বিক্রিয়ায় লবণ ও পানি দেয়, তাই উভধর্মী।
গাঢ় HNO₃-এ Al-এর কোনো দৃশ্যমান বিক্রিয়া হয় না। গাঢ় HNO₃ শক্তিশালী জারক; এটি Al-এর গায়ের Al₂O₃ আবরণকে আরও পুরু ও ঘন করে, যা ভেতরের ধাতুকে এসিড থেকে আড়াল করে — নিষ্ক্রিয়করণ (passivation)। এজন্য গাঢ় HNO₃ অ্যালুমিনিয়ামের পাত্রে পরিবহন করা হয়।
৩. CCl₄ পানিতে আর্দ্র বিশ্লেষিত হয় না, কিন্তু SiCl₄ হয় — ব্যাখ্যা করো। BCl₃-এর উদাহরণ দিয়ে দেখাও যে “খালি d-অরবিটাল” এর একমাত্র কারণ নয়।
আর্দ্র বিশ্লেষণে পানির O তার নিঃসঙ্গ জোড় দিয়ে কেন্দ্রীয় পরমাণুকে আক্রমণ করে একটি ক্ষণস্থায়ী মধ্যক (intermediate) গঠন করে, তারপর HCl বেরিয়ে যায়।
- SiCl₄: Si বড় (তৃতীয় পর্যায়), তাই চারটি Cl-এর ফাঁক দিয়ে পানির O পৌঁছাতে পারে, আর Si-এর নিচু শক্তির খালি অরবিটাল (3d/σ*) পানির নিঃসঙ্গ জোড় গ্রহণ করে পঞ্চ-সমন্বয়ী মধ্যক বানায়: ।
- CCl₄: ছোট C-কে চারটি বড় Cl ঘিরে রাখে (steric hindrance), আর C-এর কোনো নিচু শক্তির খালি অরবিটাল নেই। বিক্রিয়াটি শক্তির হিসাবে অনুকূল হলেও অত্যন্ত ধীর — গতিবিদ্যাগত নিষ্ক্রিয়তা।
- BCl₃: B দ্বিতীয় পর্যায়ের — d-অরবিটাল নেই, তবু তীব্রভাবে আর্দ্র বিশ্লেষিত হয়: । কারণ B-এর চারপাশে মাত্র 6টি ইলেকট্রন, একটি 2p অরবিটাল খালি — পানির নিঃসঙ্গ জোড় সেখানে বসে। তাই আসল শর্ত হলো জায়গা আর যেকোনো খালি গ্রাহক অরবিটাল, শুধু d-অরবিটাল নয়।
৪. NCl₃ ও PCl₃ উভয়ই আর্দ্র বিশ্লেষিত হয়, কিন্তু উৎপাদ ভিন্ন — সমীকরণসহ ব্যাখ্যা করো। NF₃ আর্দ্র বিশ্লেষিত হয় না কেন?
NCl₃-এ N ছোট, তার নিজের একটি নিঃসঙ্গ জোড় আছে আর কোনো খালি অরবিটাল নেই — পানির O তাই N-কে আক্রমণ করতে পারে না, আক্রমণ করে Cl-কে; N পানির H গ্রহণ করে। ফলে N পায় H (→ NH₃) আর Cl পায় OH (→ HOCl)। PCl₃-এ P বড় আর খালি অরবিটাল আছে, তাই পানির O সরাসরি P-কে আক্রমণ করে; P পায় OH (→ H₃PO₃) আর Cl বেরিয়ে যায় HCl হয়ে।
NF₃-এ F-এর কোনো খালি অরবিটাল নেই (দ্বিতীয় পর্যায়), তাই NCl₃-এর মতো হ্যালোজেনকে আক্রমণের পথ নেই; ছোট N-কে তিনটি F আর নিঃসঙ্গ জোড় ঘিরে রাখে, আর N–F বন্ধন শক্ত। তাই সাধারণ অবস্থায় NF₃ আর্দ্র বিশ্লেষিত হয় না।
৫. NH₃ ও PH₃ উভয়ই ক্ষারক — সমীকরণসহ দেখাও। কোনটি বেশি ক্ষারধর্মী এবং কেন? H₂O তরল কিন্তু H₂S গ্যাস কেন?
দুটিরই কেন্দ্রীয় পরমাণুতে নিঃসঙ্গ জোড় আছে, যা H⁺ গ্রহণ করে:
NH₃ অনেক বেশি ক্ষারধর্মী (পানিতে pKb 4.75; PH₃ পানিতে প্রায় কোনো OH⁻ দেয় না, PH₄⁺ শুধু HI-এর মতো তীব্র এসিডের সঙ্গে হয়)। N ছোট ও বেশি তড়িৎ ঋণাত্মক, তাই এর নিঃসঙ্গ জোড় ছোট জায়গায় ঘনীভূত (উচ্চ ইলেকট্রন ঘনত্ব) — H⁺-কে জোরে ধরে। বড় P-এর নিঃসঙ্গ জোড় বড় ও s-চরিত্রের অরবিটালে ছড়ানো (PH₃-এর বন্ধন কোণ মাত্র 93.3°, প্রায় বিশুদ্ধ p-অরবিটালে বন্ধন)।
H₂O-তে ছোট, তীব্র তড়িৎ ঋণাত্মক O থাকায় অণুগুলোর মধ্যে শক্ত হাইড্রোজেন বন্ধন হয়, তাই স্ফুটনাঙ্ক 100 °C। H₂S পোলার (μ = 0.97 D) হলেও S বড় ও কম তড়িৎ ঋণাত্মক, তাই উল্লেখযোগ্য হাইড্রোজেন বন্ধন হয় না; শুধু দুর্বল দ্বিপোল-দ্বিপোল ও লন্ডন বল — স্ফুটনাঙ্ক −60.3 °C, সাধারণ তাপমাত্রায় গ্যাস।
৬. একটি পরীক্ষায় তিনটি টেস্টটিউবে KCl, KBr ও KI দ্রবণে ব্রোমিন পানি যোগ করে হেক্সেন দিয়ে ঝাঁকানো হলো। প্রতিটি টিউবে হেক্সেন স্তরের রং কী হবে? সমীকরণ লেখো এবং E° থেকে বিক্রিয়ার তড়িৎচালক বল (cell EMF) নির্ণয় করো।
E° (V): Cl₂/Cl⁻ = +1.36, Br₂/Br⁻ = +1.09, I₂/I⁻ = +0.54।
- KCl: কোনো বিক্রিয়া নেই (Br₂ দুর্বলতর জারক, E° = 1.09 − 1.36 = −0.27 V < 0)। হেক্সেন স্তর কমলা — যোগ করা Br₂-এরই রং।
- KBr: একই হ্যালোজেন, কোনো বিক্রিয়া নেই; হেক্সেন স্তর কমলা।
- KI: বিক্রিয়া হয়, I₂ মুক্ত হয়; হেক্সেন স্তর বেগুনি:
ধনাত্মক E° মানে বিক্রিয়াটি স্বতঃস্ফূর্ত (spontaneous): J mol⁻¹ ≈ −106 kJ mol⁻¹।