পাঠ ৪ / ১৩অনুচ্ছেদ ৪.৪–৪.৪.৩

প্রভাবক, প্রভাবন কৌশল ও এনজাইমCatalysts, catalysis mechanisms & enzymes

এই পাঠের আগে পড়ো (read first): পাঠ ৩ — সংঘর্ষ তত্ত্ব, সক্রিয়ণ শক্তি ও আরহেনিয়াস সমীকরণ

ফার্মেসির হাইড্রোজেন পার-অক্সাইড (hydrogen peroxide, H₂O₂) বোতলে মাসের পর মাস ঠিক থাকে। অথচ এতে এক চিমটি কালো ম্যাঙ্গানিজ ডাইঅক্সাইড (manganese dioxide, MnO₂) বা এক টুকরো কাঁচা আলু ফেললেই সেকেন্ডের মধ্যে বুদবুদ করে অক্সিজেন (oxygen) বের হতে থাকে। নিজে করে দেখো:

তিনটি টেস্টটিউবেই (test tube) 10 mL করে 3 % হাইড্রোজেন পার-অক্সাইড (hydrogen peroxide, H₂O₂), মুখে একটি করে বেলুন (balloon)। নিচের বোতাম চেপে A-তে কিছু দিও না, B-তে ম্যাঙ্গানিজ ডাইঅক্সাইড (manganese dioxide, MnO₂) আর C-তে কাঁচা আলুর টুকরো দাও।

MnO₂ শেষ পর্যন্ত একটুও খরচ হলো না — তাহলে এটি কি আদৌ বিক্রিয়ায় অংশ নিল? যদি না নেয়, বিক্রিয়াকে এত দ্রুত করল কীভাবে? আর আলুর ভেতরে এমন কী আছে যা একই কাজ করে?

এই পাঠে ধাপে ধাপে এর উত্তর খুঁজব:

সক্রিয়ণ শক্তি (activation energy) — আগের পাঠ একবার মনে করি
প্রভাবক (catalyst) কী — বিক্রিয়ার নতুন, সহজ পথ; সাম্যাবস্থা (equilibrium) কেন বদলায় না
কাজ অনুযায়ী প্রভাবকের প্রকারভেদ — ধনাত্মক, ঋণাত্মক, স্ব-প্রভাবক (auto-catalyst), আবিষ্ট (induced); প্রভাবক সহায়ক (promoter) ও প্রভাবক বিষ (catalyst poison)
দশা (phase) অনুযায়ী — সমসত্ত্ব (homogeneous) ও অসমসত্ত্ব (heterogeneous) প্রভাবন
প্রভাবনের কৌশল (mechanism) — অন্তর্বর্তী যৌগ (intermediate compound) ও অধিশোষণ (adsorption)
শিল্প ও পরিবেশে প্রভাবক — ক্যাটালাইটিক কনভার্টার (catalytic converter)
এনজাইম (enzyme) — জীবের প্রভাবক
এবার নিজে করে দেখো — ভার্চুয়াল ল্যাব (virtual lab)

ধাপ ১: সক্রিয়ণ শক্তি — আগের পাঠ মনে করি

বিক্রিয়া হতে হলে বিক্রিয়ক অণুগুলোকে (reactant molecules) পরস্পরের সাথে ধাক্কা খেতে হয় — একে বলে সংঘর্ষ (collision)। কিন্তু সব সংঘর্ষে বিক্রিয়া হয় না। পুরোনো বন্ধন (bond) ভাঙতে শুরু করার জন্য সংঘর্ষে একটি ন্যূনতম শক্তি লাগে। এই ন্যূনতম শক্তিকেই বলে সক্রিয়ণ শক্তি (activation energy, $E_a$ )।

বিক্রিয়ক অণুগুলোকে (reactant molecules) আগে একটি শক্তির “পাহাড়” পেরোতে হয়। পাহাড়ের চূড়ায় থাকে ক্ষণস্থায়ী সক্রিয়কৃত জটিল (activated complex)। পাহাড়ের উচ্চতাই সক্রিয়ণ শক্তি (activation energy, Ea)। ΔH = E(উৎপাদ) − E(বিক্রিয়ক) — এটি পাহাড়ের উচ্চতার ওপর নির্ভর করে না।

যে ভগ্নাংশ (fraction) অণুর শক্তি $E_a$ -এর চেয়ে বেশি, তা প্রায় $e^{-E_a/RT}$ — অর্থাৎ $E_a$ একটু কমলেই সফল সংঘর্ষ অনেক গুণ বেড়ে যায়। আরহেনিয়াস সমীকরণ (Arrhenius equation):

k = A\,e^{-E_a/RT}

এখানে $k$ হার ধ্রুবক (rate constant), $A$ সংঘর্ষের কম্পাঙ্ক ও দিক-নির্ভর একটি গুণক (pre-exponential factor), $R = 8.314$ J mol⁻¹ K⁻¹, আর $T$ কেলভিন (kelvin) তাপমাত্রা। লক্ষ করো: $k$ আর $E_a$ -এর সম্পর্ক সূচকীয় (exponential), সরল ব্যস্তানুপাতিক (inversely proportional) নয়।

নিজে যাচাই করো

25 °C-এ কোনো বিক্রিয়ার সক্রিয়ণ শক্তি 10 kJ/mol কমে গেল (A একই)। হার মোটামুটি কত গুণ হবে?

ধাপ ২: প্রভাবক — বিক্রিয়ার নতুন পথ

যে পদার্থ বিক্রিয়ায় উপস্থিত থেকে বিক্রিয়ার হার পরিবর্তন করে, কিন্তু বিক্রিয়া শেষে নিজে রাসায়নিকভাবে অপরিবর্তিত ও একই ভরে ফিরে আসে, তাকে প্রভাবক বা অনুঘটক (catalyst) বলে। প্রভাবকের এই কাজকে বলে প্রভাবন (catalysis)।

প্রভাবক পাহাড়টাকে নিচু করে না — পাহাড়ের পাশ দিয়ে একটি নতুন, নিচু গিরিপথ (alternative pathway) খুলে দেয়। সেই পথে প্রভাবক বিক্রিয়কের সাথে সত্যিই যুক্ত হয়, তারপর আবার মুক্ত হয়। তাই নতুন পথের সক্রিয়ণ শক্তি কম। নিচে প্রভাবক বদলে দেখো, তারপর “উভমুখী বিক্রিয়া” দৃশ্যটিও দেখো:

প্রভাবক ছাড়া H₂O₂-এর বিয়োজনের সক্রিয়ণ শক্তি (activation energy) Ea ≈ 75 kJ/mol, আর ΔH = −98 kJ/mol। ওপরের একটি প্রভাবক (catalyst) বেছে নাও।

চিত্র থেকে প্রভাবকের প্রধান বৈশিষ্ট্যগুলো:

$E_a$ কমায়, তাই হার বাড়ে। প্রভাবকের কারণে সক্রিয়ণ শক্তি যতটুকু কমে $= E_1 - E_2$ (প্রভাবক ছাড়া $E_1$ , প্রভাবকসহ $E_2$ )।
ΔH বদলায় না — শুরুর (বিক্রিয়ক) আর শেষের (উৎপাদ) শক্তি একই থাকে।
সম্মুখ (forward) ও পশ্চাৎ (reverse) দুই বিক্রিয়ার হার একই গুণ বাড়ায়। তাই সাম্যধ্রুবক $K = k_f/k_r$ আর সাম্যাবস্থার অবস্থান (equilibrium position) বদলায় না, উৎপাদের মোট পরিমাণও (yield) বদলায় না — শুধু সাম্যাবস্থায় তাড়াতাড়ি পৌঁছানো যায়।
বিক্রিয়া শেষে প্রভাবকের ভর ও রাসায়নিক সংযুক্তি (chemical composition) অপরিবর্তিত থাকে। তবে ভৌত রূপ (physical form) বদলাতে পারে — যেমন MnO₂-এর দলা গুঁড়া হয়ে যায়।
সামান্য পরিমাণই যথেষ্ট, কারণ একই প্রভাবক বারবার ব্যবহৃত হয়।
প্রভাবক সাধারণত নির্দিষ্ট (specific) — একটি বিক্রিয়ার প্রভাবক অন্য বিক্রিয়ায় কাজ নাও করতে পারে।
প্রভাবক এমন বিক্রিয়া ঘটাতে পারে না যা তাপগতীয়ভাবে (thermodynamically) অসম্ভব।

নিজে যাচাই করো

একটি উভমুখী বিক্রিয়ায় (reversible reaction) প্রভাবক যোগ করলে কী ঘটে?

ধাপ ৩: কাজ অনুযায়ী প্রভাবকের প্রকারভেদ

১. ধনাত্মক প্রভাবক (positive catalyst) — বিক্রিয়ার হার বাড়ায়। যেমন KClO₃ গরম করে O₂ তৈরির সময় MnO₂:

2\text{KClO}_3(s) \xrightarrow{\ \Delta,\ \text{MnO}_2\ } 2\text{KCl}(s) + 3\text{O}_2(g)

২. ঋণাত্মক প্রভাবক (negative catalyst) বা প্রতিরোধক (inhibitor) — বিক্রিয়ার হার কমায়। যেমন H₂O₂-এ কয়েক ফোঁটা ফসফরিক এসিড (phosphoric acid, H₃PO₄) দিলে এর স্বতঃস্ফূর্ত বিয়োজন (decomposition) ধীর হয়ে যায় — তাই ফার্মেসির H₂O₂ বেশিদিন টেকে। আধুনিক ব্যাখ্যায় প্রতিরোধক সাধারণত নিচু পথটি বন্ধ করে দেয় (যেমন H₃PO₄ দ্রবণের ধাতব আয়নের ময়লাকে আটকে ফেলে, যেগুলো নিজেরাই H₂O₂ ভাঙার প্রভাবক) — নিজে “উঁচু পথ” বানায় না।

৩. স্ব-প্রভাবক (auto-catalyst) — বিক্রিয়ায় তৈরি একটি উৎপাদ নিজেই প্রভাবকের কাজ করে। গরম অক্সালিক এসিডে (oxalic acid) KMnO₄ দিলে প্রথম কয়েক ফোঁটার বেগুনি রং ধীরে মিলায়, পরে প্রায় সঙ্গে সঙ্গে — কারণ উৎপন্ন Mn²⁺ আয়নই প্রভাবক:

5(\text{COOH})_2 + 2\text{KMnO}_4 + 3\text{H}_2\text{SO}_4 \xrightarrow{\ \text{Mn}^{2+}\ } \text{K}_2\text{SO}_4 + 2\text{MnSO}_4 + 10\text{CO}_2 + 8\text{H}_2\text{O}

নিজে ফোঁটা দিয়ে দেখো:

বর্ণহীন হতে সময় (time to decolourise) — এই ফোঁটা: —

প্রথম ফোঁটা দাও — কত সময় লাগে দেখো।
একে একে অন্তত ৫টি ফোঁটা দাও — সময় কীভাবে বদলায়?
↺ চেপে নতুন করে শুরু করো, এবার আগে MnSO₄ দিয়ে প্রথম ফোঁটা দাও।

ফ্লাস্কে গরম (≈ 60 °C) অক্সালিক এসিড (oxalic acid) আর লঘু H₂SO₄। বিউরেট (burette) থেকে এক ফোঁটা বেগুনি KMnO₄ দাও।

সময়গুলো উদাহরণমূলক (illustrative) মডেল থেকে; আসল ল্যাবেও প্রথম কয়েক ফোঁটা ধীরে, পরে প্রায় সঙ্গে সঙ্গে বর্ণহীন হয়।

৪. আবিষ্ট প্রভাবক (induced catalyst) — একটি বিক্রিয়া চলার সময় অন্য একটি বিক্রিয়াকে ঘটিয়ে দেয়, যা একা ঘটে না। সোডিয়াম আর্সেনাইট (sodium arsenite, Na₃AsO₃) একা বাতাসের O₂-এ জারিত হয় না, কিন্তু সোডিয়াম সালফাইটের (sodium sulfite, Na₂SO₃) সাথে মেশালে দুটোই জারিত হয়:

\text{Na}_2\text{SO}_3 + \text{Na}_3\text{AsO}_3 + \text{O}_2 \longrightarrow \text{Na}_2\text{SO}_4 + \text{Na}_3\text{AsO}_4

এখানে Na₂SO₃ হলো আবিষ্ট প্রভাবক।

প্রভাবক সহায়ক (promoter) — নিজে প্রভাবক নয় (বা খুব দুর্বল), কিন্তু প্রভাবকের ক্ষমতা বাড়ায়। হেবার পদ্ধতিতে (Haber process) আয়রন (iron, Fe) প্রভাবকের সাথে আজকের কারখানায় পটাশিয়াম অক্সাইড (K₂O), অ্যালুমিনা (Al₂O₃) ও CaO সহায়ক হিসেবে দেওয়া হয়। পুরোনো প্রভাবকে মলিবডেনাম (molybdenum, Mo) ব্যবহার হতো — বোর্ড পরীক্ষায় “Mo” লিখলেও এটি জেনে রাখো।

প্রভাবক বিষ (catalyst poison) — যে পদার্থ প্রভাবকের পৃষ্ঠ দখল করে তার কার্যকারিতা কমায় বা নষ্ট করে। স্পর্শ পদ্ধতিতে (contact process) সামান্য আর্সেনিক অক্সাইড (arsenic oxide, As₂O₃) প্ল্যাটিনাম (Pt) প্রভাবককে অকেজো করে দিত; সালফার (S) নিকেলকে (Ni), সীসা (lead, Pb) গাড়ির কনভার্টারকে বিষাক্ত করে।

নিজে যাচাই করো

KMnO₄ ও অক্সালিক এসিডের বিক্রিয়ায় প্রথম ফোঁটার রং মিলাতে অনেক সময় লাগে, পরের ফোঁটাগুলো দ্রুত মিলায়। এটি কোন ধরনের প্রভাবন?

ধাপ ৪: সমসত্ত্ব ও অসমসত্ত্ব প্রভাবন

বিক্রিয়ক আর প্রভাবক একই দশায় (phase — কঠিন, তরল/দ্রবণ বা গ্যাস) আছে কি না, তা দেখে প্রভাবনকে দুই ভাগ করা হয়:

	সমসত্ত্ব প্রভাবন (homogeneous)	অসমসত্ত্ব প্রভাবন (heterogeneous)
দশা	প্রভাবক ও বিক্রিয়ক একই দশায়	প্রভাবক ভিন্ন দশায় (সাধারণত কঠিন)
গ্যাসীয় উদাহরণ	লেড চেম্বারে NO(g) দিয়ে SO₂(g) জারণ	স্পর্শ পদ্ধতিতে কঠিন V₂O₅/Pt-এর ওপর SO₂(g) জারণ
দ্রবণের উদাহরণ	H⁺(aq) দিয়ে সুক্রোজের (sucrose) আর্দ্র বিশ্লেষণ; I⁻(aq) দিয়ে H₂O₂ বিয়োজন	কঠিন MnO₂ দিয়ে H₂O₂(aq) বিয়োজন; Ni দিয়ে উদ্ভিজ্জ তেলের হাইড্রোজেনেশন
কৌশল	অন্তর্বর্তী যৌগ গঠন	পৃষ্ঠে অধিশোষণ
সুবিধা	প্রতিটি প্রভাবক অণু কাজে লাগে	উৎপাদ থেকে প্রভাবক সহজে আলাদা করা যায় — তাই শিল্পে বেশি ব্যবহৃত

সুক্রোজের আর্দ্র বিশ্লেষণ (hydrolysis):

\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \xrightarrow{\ \text{H}^+(aq)\ } \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6(aq) + \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6(aq)

(প্রথমটি গ্লুকোজ (glucose), দ্বিতীয়টি ফ্রুক্টোজ (fructose)।)

নিজে যাচাই করো

উদ্ভিজ্জ তেল থেকে ডালডা (বনস্পতি) তৈরিতে তরল তেল আর H₂ গ্যাসের সাথে কঠিন Ni গুঁড়া ব্যবহৃত হয়। এটি কোন প্রভাবন?

ধাপ ৫: প্রভাবন কৌশল — প্রভাবক আসলে কী করে

এখন শুরুর প্রশ্নের উত্তর: প্রভাবক বিক্রিয়ায় অংশ নেয় — কিন্তু এক ধাপে খরচ হয়ে পরের ধাপে আবার ফিরে আসে (regenerated)। তাই হিসাবের শেষে মনে হয় সে যেন কিছুই করেনি। দুটি প্রধান কৌশল:

(ক) অন্তর্বর্তী যৌগ গঠন (সমসত্ত্ব প্রভাবনে)

প্রভাবক প্রথমে একটি বিক্রিয়কের সাথে যুক্ত হয়ে একটি অস্থায়ী অন্তর্বর্তী যৌগ (intermediate compound) তৈরি করে। সেটি অন্য বিক্রিয়কের সাথে বিক্রিয়া করে উৎপাদ দেয় আর প্রভাবক ফিরিয়ে দেয়। দুটি ধাপের প্রতিটির $E_a$ মূল বিক্রিয়ার চেয়ে কম। ধাপগুলো নিজে চালিয়ে দেখো:

ধাপ ১ (step 1): 2NO + O₂ → 2NO₂

ধাপ ২ (step 2): 2NO₂ + 2SO₂ → 2SO₃ + 2NO

নিট (net): 2SO₂ + O₂ → 2SO₃

প্রভাবক (catalyst) NO দিয়ে শুরু। “ধাপ ১” চাপো।

(খ) অধিশোষণ (অসমসত্ত্ব প্রভাবনে)

কঠিন প্রভাবকের পৃষ্ঠে (surface) বিক্রিয়ক অণু আটকে যায় — একে অধিশোষণ (adsorption) বলে। এটি চার ধাপে ঘটে: (১) অধিশোষণ, (২) বন্ধন দুর্বল হয়ে সক্রিয় জটিল তৈরি, (৩) পৃষ্ঠে বিক্রিয়া, (৪) উৎপাদের মুক্তি (desorption)। নিকেলের পৃষ্ঠে ইথিনের হাইড্রোজেনেশন (hydrogenation) ধাপে ধাপে দেখো — তারপর “বিষ” চালু করে আবার চেষ্টা করো:

শুরু: ইথিন (ethene, C₂H₄) আর হাইড্রোজেন (hydrogen, H₂) গ্যাস নিকেল (nickel, Ni) প্রভাবকের পৃষ্ঠের দিকে আসছে।

\text{H}_2\text{C}{=}\text{CH}_2(g) + \text{H}_2(g) \xrightarrow{\ \text{Ni},\ 150\,^\circ\text{C}\ } \text{H}_3\text{C}{-}\text{CH}_3(g)

পৃষ্ঠে বিক্রিয়া হয় বলে পৃষ্ঠতল (surface area) যত বেশি, হার তত বেশি — তাই প্রভাবককে মিহি গুঁড়া বা জালির (gauze) আকারে ব্যবহার করা হয়। আর বিষ পৃষ্ঠের সক্রিয় স্থান (active site) দখল করে বলেই সামান্য বিষও এত ক্ষতিকর।

নিজে যাচাই করো

একই ভরের MnO₂ দলার (lump) চেয়ে MnO₂ গুঁড়া (powder) H₂O₂-কে অনেক দ্রুত ভাঙে। কারণ কী?

ধাপ ৬: শিল্প ও পরিবেশে প্রভাবক

রাসায়নিক শিল্পের বেশির ভাগ প্রক্রিয়াই প্রভাবক ছাড়া চলে না — কম তাপমাত্রায় দ্রুত উৎপাদন মানে কম জ্বালানি খরচ। আর প্রায় সব শিল্প-প্রভাবকই অসমসত্ত্ব, কারণ উৎপাদ থেকে সহজে আলাদা করা যায়।

প্রক্রিয়া	বিক্রিয়া	প্রভাবক	উৎপাদ ও ব্যবহার
হেবার (Haber)	N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃	Fe; সহায়ক K₂O, Al₂O₃, CaO	অ্যামোনিয়া → সার, HNO₃
স্পর্শ (contact)	2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃	V₂O₅ (আগে Pt)	H₂SO₄
অসওয়াল্ড (Ostwald)	4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O	Pt–Rh জালি (gauze)	HNO₃ → সার, বিস্ফোরক
স্টিম রিফর্মিং (steam reforming)	CH₄ + H₂O → CO + 3H₂	Ni	H₂ → অ্যামোনিয়া, মিথানল
হাইড্রোজেনেশন	উদ্ভিজ্জ তেল + H₂ → বনস্পতি	Ni	ডালডা, মার্জারিন

পরিবেশে প্রভাবক: গাড়ির ইঞ্জিনের ধোঁয়ায় থাকে বিষাক্ত কার্বন মনোক্সাইড (CO), অদগ্ধ হাইড্রোকার্বন (CₓHᵧ) আর নাইট্রিক অক্সাইড (NO)। নিঃসরণ নলে (exhaust pipe) বসানো ক্যাটালাইটিক কনভার্টার এগুলোকে নিরীহ গ্যাসে পরিণত করে:

ক্যাটালাইটিক কনভার্টার (catalytic converter) — সিরামিকের মৌচাকে (honeycomb) খুব পাতলা স্তরে প্ল্যাটিনাম (platinum, Pt), প্যালাডিয়াম (palladium, Pd) আর রোডিয়াম (rhodium, Rh) মাখানো থাকে। একসাথে তিনটি কাজ হয় (তাই নাম three-way):

2CO + O₂ → 2CO₂ (Pt/Pd-এর ওপর জারণ, oxidation)
অদগ্ধ হাইড্রোকার্বন: 2C₈H₁₈ + 25O₂ → 16CO₂ + 18H₂O (Pt/Pd)
2NO + 2CO → N₂ + 2CO₂ (মূলত Rh-এর ওপর বিজারণ, reduction)

সীসাযুক্ত (leaded) পেট্রোলের সীসা এই ধাতুগুলোর পৃষ্ঠ ঢেকে দেয় (প্রভাবক বিষ, catalyst poison) — তাই কনভার্টারওয়ালা গাড়িতে সীসামুক্ত (unleaded) পেট্রোল লাগে।

নিজে যাচাই করো

ক্যাটালাইটিক কনভার্টারে NO গ্যাস প্রধানত কীভাবে দূর হয়?

ধাপ ৭: এনজাইম — জীবের প্রভাবক

আমাদের দেহের তাপমাত্রা মাত্র 37 °C, তবু খাদ্য হজম থেকে শ্বসন পর্যন্ত হাজার হাজার বিক্রিয়া সেকেন্ডের ভগ্নাংশে ঘটে। এর পেছনে আছে এনজাইম (enzyme) — জীবকোষে তৈরি বড় প্রোটিন (protein) অণু, যারা জৈব প্রভাবক (biocatalyst) হিসেবে কাজ করে। (কিছু এনজাইমের সাথে ধাতব আয়ন বা ভিটামিন-জাত সহ-উপাদান (cofactor) লাগে।)

কৌশল: এনজাইম অণুর (E) গায়ে একটি বিশেষ আকৃতির খাঁজ থাকে — সক্রিয় স্থান (active site)। বিক্রিয়ক অণু (substrate, S) সেখানে তালায় চাবির মতো (lock and key) বসে এনজাইম-বিক্রিয়ক জটিল (ES complex) তৈরি করে, তারপর উৎপাদ (product, P) হয়ে বেরিয়ে যায়, আর এনজাইম পরের অণুর জন্য মুক্ত হয়:

\text{E} + \text{S} \rightleftharpoons \text{ES} \longrightarrow \text{E} + \text{P}

(আধুনিক “আবিষ্ট খাপ” (induced fit) মডেলে সক্রিয় স্থান বিক্রিয়কের সাথে নিজের আকারও একটু বদলে নেয়।)

বৈশিষ্ট্য:

অত্যন্ত সুনির্দিষ্ট (highly specific): ইস্টের জাইমেজ (zymase) গ্লুকোজকে অ্যালকোহলে ভাঙে, সয়াবিনের ইউরিয়েজ (urease) শুধু ইউরিয়াকে ভাঙে: $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \xrightarrow{\ \text{zymase}\ } 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\text{CO}_2 \qquad \text{CO(NH}_2)_2 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\ \text{urease}\ } 2\text{NH}_3 + \text{CO}_2$ (জাইমেজ আসলে একটি নয়, কয়েকটি এনজাইমের মিশ্রণ।)
অবিশ্বাস্য দ্রুত: কার্বনিক অ্যানহাইড্রেজ (carbonic anhydrase) প্রতি সেকেন্ডে প্রায় $10^6$ টি CO₂ অণুকে HCO₃⁻-এ রূপান্তরিত করে (CO₂ + H₂O ⇌ HCO₃⁻ + H⁺)। ক্যাটালেজ H₂O₂-এর $E_a$ ≈ 75 থেকে ≈ 23 kJ/mol বা তারও নিচে নামায় — 37 °C-এ প্রায় $10^8$ – $10^9$ গুণ দ্রুত।
সেরা তাপমাত্রা (optimum temperature): তাপ বাড়লে প্রথমে হার বাড়ে, কিন্তু একটি সীমার পর প্রোটিনের ভাঁজ খুলে সক্রিয় স্থান নষ্ট হয় — বিকৃতি (denaturation)। মানুষের এনজাইমের সেরা তাপমাত্রা প্রায় 37 °C; অন্য জীবের এনজাইমের আলাদা (উষ্ণ প্রস্রবণের ব্যাকটেরিয়ার এনজাইম 70 °C-এও কাজ করে)।
সেরা pH (optimum pH) প্রতিটি এনজাইমের আলাদা: পাকস্থলীর পেপসিন (pepsin) pH ≈ 1.5–2, মুখের লালার অ্যামাইলেজ (amylase) pH ≈ 6.7–7.0, ক্যাটালেজ ≈ 7, ক্ষুদ্রান্ত্রের ট্রিপসিন (trypsin) pH ≈ 7.5–8.5।

নিজে তাপমাত্রা আর pH বদলে দেখো এনজাইম কখন সবচেয়ে ভালো কাজ করে, কখন আকার হারায়:

আলু, কলিজা — প্রায় সব কোষে · কাজ: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ · সেরা pH (optimum pH) 6.8–7.5

সক্রিয়তা (activity): 74 %ঠিক ভাঁজে আছে (folded): 100 %সেরা অবস্থা (optimum): ≈ 38 °C, pH 7

তাপমাত্রা (temperature): 25 °CpH: 7.0

সক্রিয়তা % বনাম তাপমাত্রা (activity vs temperature)

সক্রিয়তা % বনাম pH (activity vs pH)

ক্যাটালেজকে (catalase) 95 %-এর বেশি সক্রিয় করো।
যেকোনো এনজাইমকে 60 °C বা তার বেশি গরম করে দেখো কী হয়।
পেপসিনের (pepsin) সেরা pH খুঁজে বের করো — এটি কি 7?

ঠান্ডায় অণুগুলোর শক্তি কম, তাই সংঘর্ষ কম সফল — সক্রিয়তা 74 %। তাপমাত্রা একটু বাড়িয়ে দেখো।

pH-বক্ররেখার আকার আর বিকৃতির (denaturation) তাপমাত্রা উদাহরণমূলক (illustrative); সেরা pH-এর মানগুলো আসল (Berg, Biochemistry)।

নিজে যাচাই করো

লালার অ্যামাইলেজ খাবারের সাথে পাকস্থলীতে (pH ≈ 2) পৌঁছালে কী হয়?

ধাপ ৮: এবার নিজে করে দেখো — প্রভাবক ল্যাব

এই ভার্চুয়াল ল্যাবে 4.0 mL H₂O₂ জলগাহে (water bath) রাখা কনিক্যাল ফ্লাস্কে আছে; যে O₂ বের হয় তা নল দিয়ে গ্যাস সিরিঞ্জে (gas syringe) জমা হয়।

ওপরে প্রভাবক বেছে নাও: কিছু না, H₃PO₄ (প্রতিরোধক), MnO₂ গুঁড়া ও দলা, KI দ্রবণ, কাঁচা আলু, সেদ্ধ আলু, কলিজা (liver)।
পরিমাণ, H₂O₂-এর ঘনমাত্রা (3 % বা 6 %) আর জলগাহের তাপমাত্রা ঠিক করো, তারপর শুরু চাপো। সিরিঞ্জের পিস্টন কত দ্রুত সরছে আর লেখচিত্র (graph) কত খাড়া, তা দেখো।
ধীর বিক্রিয়ায় ×10 বা শেষ পর্যন্ত ব্যবহার করো। প্রতিটি পরীক্ষা খাতায় লেখো — আগের পরীক্ষাগুলোর বক্ররেখা লেখচিত্রে ড্যাশ দাগে থেকে যায়, তুলনা করা সহজ।
একবারে একটি জিনিস বদলাও (নিয়ন্ত্রিত পরীক্ষা, controlled experiment), আর চ্যালেঞ্জগুলো শেষ করো।

প্রভাবক ল্যাব — H₂O₂ থেকে অক্সিজেন

Catalyst lab: O₂ from hydrogen peroxide

↗

প্রভাবক (catalyst):

পরিমাণ (amount): 0.1 gজলগাহের তাপমাত্রা (water bath): 25 °C

H₂O₂ (4.0 mL):

অসমসত্ত্ব প্রভাবক (heterogeneous) — কঠিন পৃষ্ঠে বিক্রিয়া · Ea ≈ 49 kJ/mol

কনিক্যাল ফ্লাস্কে (conical flask) 4.0 mL হাইড্রোজেন পার-অক্সাইড (H₂O₂), নল দিয়ে গ্যাস সিরিঞ্জে (gas syringe) যুক্ত। প্রভাবক (catalyst), পরিমাণ, ঘনমাত্রা আর তাপমাত্রা বেছে “শুরু” চাপো।

O₂-এর আয়তন বনাম সময় (volume vs time)

প্রাথমিক হার (initial rate) = প্রথম 5 s-এ জমা O₂ ÷ 5 s। মোট O₂ আর KI-এর হার আসল তথ্য থেকে; অন্য প্রভাবকের বেঞ্চের গতি আর প্রভাবক ছাড়া বিয়োজনের সময় উদাহরণমূলক (illustrative), তবে তাপমাত্রার প্রভাব প্রতিটির আসল Ea থেকে হিসাব করা।

চ্যালেঞ্জ (challenges)

0/6

একই ঘনমাত্রা আর তাপমাত্রায় অন্তত ৪টি ভিন্ন প্রভাবক দিয়ে পরীক্ষা করে খাতায় লেখো, তারপর প্রাথমিক হার (initial rate) অনুযায়ী সাজাও (0/4)
দেখাও যে প্রভাবক থাকুক বা না থাকুক, শেষে O₂-এর মোট আয়তন একই: একটি প্রভাবকসহ আর একটি প্রভাবক ছাড়া পরীক্ষা শেষ পর্যন্ত চালিয়ে (একই ঘনমাত্রায়) খাতায় লেখো
একই ভরের MnO₂ গুঁড়া (powder) আর দলা (lump) একই অবস্থায় পরীক্ষা করে খাতায় লেখো
কাঁচা আলু আর সেদ্ধ আলু একই পরিমাণে, একই অবস্থায় পরীক্ষা করে খাতায় লেখো — সেদ্ধ আলু কাজ করে না কেন?
কাঁচা আলু (বা কলিজা) একই পরিমাণে নিয়ে অন্তত ৪টি ভিন্ন তাপমাত্রায় পরীক্ষা করো (একটি ≥ 55 °C) — কোন তাপমাত্রায় হার সবচেয়ে বেশি? (0/4)
MnO₂ দিয়ে পরীক্ষা শেষ হলে MnO₂ ছেঁকে, শুকিয়ে ওজন করো — ভর কি কমেছে?

পর্যবেক্ষণ খাতা (observation notebook)

এখনো কিছু লেখা হয়নি। একটি পরীক্ষা চালিয়ে “খাতায় লেখো” চাপো।

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

“প্রভাবক বিক্রিয়ায় অংশগ্রহণ না করেও…” (৪.৪.১-এর শুরু) — ভুল। প্রভাবক বিক্রিয়ায় অংশ নেয় (অন্তর্বর্তী যৌগ বা পৃষ্ঠ-বন্ধন তৈরি করে) এবং শেষে পুনরুৎপন্ন (regenerated) হয়। বইটি নিজেই ৪.৪.২-এ সঠিক কথাটি বলেছে। এছাড়া “গঠন অপরিবর্তিত” মানে রাসায়নিক গঠন; ভৌত রূপ (দলা → গুঁড়া) বদলাতে পারে।
“বিক্রিয়ার হার সক্রিয়ণ শক্তির ব্যস্তানুপাতিক” (৪.৩-এর শেষে) — ভুল। সম্পর্কটি সূচকীয়: $k \propto e^{-E_a/RT}$ । Ea অর্ধেক করলে হার দ্বিগুণ হয় না, কোটি কোটি গুণ বাড়তে পারে।
হেবার পদ্ধতির সহায়ক তিন জায়গায় তিন রকম — একবার “Mo”, সারণিতে “Fe, K₂O ও Al₂O₃”, পরে “MgO, SiO₂ ও Al₂O₃”। আধুনিক প্রভাবক: Fe₃O₄ থেকে তৈরি আয়রন, সহায়ক K₂O (ইলেকট্রনীয়) এবং Al₂O₃ ও CaO (কাঠামোগত)। Mo ছিল পুরোনো প্রভাবকে — বোর্ড প্রশ্নে “Mo” চাইলে লিখতে পারো, কিন্তু জেনে রাখো আজ এটি ব্যবহার হয় না।
ক্যাটালাইটিক কনভার্টারে “2NO → N₂ + O₂ (Pt)” — আসলে NO বিজারিত হয় CO/H₂/হাইড্রোকার্বন দিয়ে, প্রধানত রোডিয়ামের (Rh) ওপর: 2NO + 2CO → N₂ + 2CO₂। Pt ও Pd মূলত CO ও হাইড্রোকার্বনকে জারিত করে।
“এনজাইমের জন্য 37 °C আর pH ≈ 7 লাগে” — অতিসরলীকরণ। 37 °C শুধু মানুষের (ও উষ্ণ রক্তের প্রাণীর) এনজাইমের সেরা তাপমাত্রা, আর সেরা pH প্রতিটি এনজাইমের আলাদা: পেপসিন ≈ 1.5–2, অ্যামাইলেজ ≈ 6.7–7.0, ট্রিপসিন ≈ 7.5–8.5।
স্পর্শ পদ্ধতির প্রভাবক হিসেবে Pt বলা হয়েছে — আজকের কারখানায় V₂O₅ ব্যবহৃত হয় (Pt দামি এবং As₂O₃-এ সহজে বিষাক্ত হয়)।

ঘরে বসে পরীক্ষা: আলুর ফেনা

ফার্মেসিতে কেনা 3 % হাইড্রোজেন পার-অক্সাইড (ক্ষত পরিষ্কারের জন্য বিক্রি হয়) দিয়ে ক্যাটালেজের কাজ নিজের চোখে দেখো।

তিনটি কাচের গ্লাস বা কাপে 2–3 চামচ করে 3 % H₂O₂ নাও, প্রতিটিতে এক ফোঁটা থালাবাসন ধোয়ার তরল সাবান (dish soap) দাও — গ্যাস বের হলে ফেনা জমবে।
প্রথমটিতে এক টুকরো কাঁচা আলু দাও, দ্বিতীয়টিতে একই মাপের সেদ্ধ আলু (৫ মিনিট ফুটিয়ে ঠান্ডা করা), তৃতীয়টিতে কিছু দিও না।
এক মিনিট পর ফেনার উচ্চতা স্কেল দিয়ে মাপো। কাঁচা আলু কুচি করে বা ঘষে (grated) দিলে কী হয়? (পৃষ্ঠতল!) এক চিমটি শুকনো ইস্ট (yeast) বা এক টুকরো মুরগির কলিজা দিয়েও চেষ্টা করতে পারো।
ফলাফল খাতায় লেখো, আর সেদ্ধ আলুর ফলাফল বিকৃতি (denaturation) দিয়ে ব্যাখ্যা করো।

নিরাপত্তা: শুধু 3 % H₂O₂ ব্যবহার করো — এর বেশি ঘন H₂O₂ ত্বক পুড়িয়ে দেয়। চোখে যেন না লাগে (চশমা পরলে ভালো); লাগলে সঙ্গে সঙ্গে প্রচুর পানি দিয়ে ধোও। পাত্রের মুখ কখনো বন্ধ করবে না — গ্যাস জমে ফেটে যেতে পারে। পরীক্ষার পর সব পানি দিয়ে ধুয়ে ফেলো, খাবারের পাত্রে কিছু রেখো না।

পরীক্ষার প্রস্তুতি

১. প্রভাবক সহায়ক, প্রভাবক বিষ ও স্ব-প্রভাবক কাকে বলে? প্রতিটির একটি করে উদাহরণ দাও।

প্রভাবক সহায়ক (promoter): যে পদার্থ নিজে প্রভাবক নয় কিন্তু প্রভাবকের কার্যক্ষমতা বাড়ায়। উদাহরণ: হেবার পদ্ধতিতে Fe প্রভাবকের সাথে K₂O ও Al₂O₃ (বইয়ে Mo)।
প্রভাবক বিষ (catalyst poison): যে পদার্থ প্রভাবকের সক্রিয় স্থান দখল করে তার কার্যক্ষমতা কমায় বা নষ্ট করে। উদাহরণ: স্পর্শ পদ্ধতিতে Pt প্রভাবকের জন্য As₂O₃।
স্ব-প্রভাবক (auto-catalyst): বিক্রিয়ায় উৎপন্ন যে পদার্থ নিজেই ওই বিক্রিয়ার প্রভাবক। উদাহরণ: KMnO₄ ও অক্সালিক এসিডের বিক্রিয়ায় উৎপন্ন Mn²⁺।

২. H₂O₂-এর বিয়োজনের সক্রিয়ণ শক্তি 75 kJ/mol; ক্যাটালেজ থাকলে 23 kJ/mol। 37 °C-এ ক্যাটালেজ বিক্রিয়াকে কত গুণ দ্রুত করে? (A একই ধরো)

$T = 37 + 273.15 = 310.15$ K।

\frac{k_{\text{cat}}}{k} = e^{(E_1 - E_2)/RT} = \exp\!\left(\frac{(75-23)\times 10^{3}}{8.314 \times 310.15}\right) = e^{20.17} \approx 5.7 \times 10^{8}

অর্থাৎ প্রায় 57 কোটি গুণ। সক্রিয়ণ শক্তি কমেছে $E_1 - E_2 = 52$ kJ/mol।

৩. 10 mL 3 % (w/v) H₂O₂ দ্রবণে MnO₂ যোগ করা হলো। STP-তে সর্বোচ্চ কত mL O₂ পাওয়া যাবে? MnO₂ দ্বিগুণ করলে এই আয়তন কি বাড়বে?

H₂O₂-এর ভর $= 10 \times 0.03 = 0.30$ g; মোল $= 0.30/34.01 = 8.82 \times 10^{-3}$ mol।

$2\text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$ , তাই O₂ $= 4.41 \times 10^{-3}$ mol।

STP-তে আয়তন $= 4.41 \times 10^{-3} \times 22.4$ L $= 0.0988$ L ≈ 98.8 mL (25 °C-এ ≈ 108 mL)।

MnO₂ দ্বিগুণ করলে O₂ দ্রুত বের হবে, কিন্তু মোট আয়তন একই থাকবে — প্রভাবক উৎপাদের পরিমাণ বদলায় না, তা ঠিক করে H₂O₂-এর পরিমাণ।

৪. সমসত্ত্ব প্রভাবনের কৌশল উদাহরণসহ ব্যাখ্যা করো। (ব. বো. ২০১৫)

সমসত্ত্ব প্রভাবনে প্রভাবক বিক্রিয়কের সাথে একই দশায় থাকে এবং অন্তর্বর্তী যৌগ গঠনের মাধ্যমে কাজ করে। লেড চেম্বার পদ্ধতিতে NO গ্যাসের উপস্থিতিতে SO₂-এর জারণ:

ধাপ ১ (প্রভাবক খরচ, অন্তর্বর্তী যৌগ তৈরি): 2NO + O₂ → 2NO₂

ধাপ ২ (উৎপাদ তৈরি, প্রভাবক ফিরে আসে): 2NO₂ + 2SO₂ → 2SO₃ + 2NO

নিট: 2SO₂ + O₂ → 2SO₃। প্রতিটি ধাপের সক্রিয়ণ শক্তি সরাসরি বিক্রিয়ার চেয়ে কম, তাই হার বাড়ে, আর NO শেষে অপরিবর্তিত থাকে।

৫. প্রভাবক কীভাবে বিক্রিয়ার হার বাড়ায়? এটি সাম্যাবস্থার অবস্থান বদলায় না কেন? (সি. বো. ২০১৫; মা. বো. ২০১৭)

প্রভাবক বিক্রিয়কের সাথে অন্তর্বর্তী যৌগ বা পৃষ্ঠ-বন্ধন তৈরি করে একটি বিকল্প পথ খুলে দেয়, যার সক্রিয়ণ শক্তি কম। সফল সংঘর্ষের ভগ্নাংশ $e^{-E_a/RT}$ -এর সমানুপাতিক, তাই $E_a$ কমলে একই তাপমাত্রায় অনেক বেশি সংঘর্ষ সফল হয় — হার বাড়ে।

উভমুখী বিক্রিয়ায় বিকল্প পথটি দুই দিকের জন্যই একই; সম্মুখ ও পশ্চাৎ দুই পাহাড়ই সমান পরিমাণ নিচু হয়। ফলে $k_f$ ও $k_r$ একই গুণ বাড়ে, $K = k_f/k_r$ বদলায় না। প্রভাবক কেবল সাম্যাবস্থায় তাড়াতাড়ি পৌঁছাতে সাহায্য করে।

৬. সেদ্ধ আলুর টুকরো H₂O₂ থেকে O₂ বের করতে পারে না কেন? এনজাইমের দুটি বৈশিষ্ট্য লেখো।

আলুতে থাকা ক্যাটালেজ একটি প্রোটিন। ফোটানোর তাপে এর ত্রিমাত্রিক ভাঁজ খুলে যায় (বিকৃতি, denaturation), ফলে সক্রিয় স্থানের আকার নষ্ট হয় এবং H₂O₂ অণু আর সেখানে বসতে পারে না। তাই সেদ্ধ আলু প্রভাবক হিসেবে কাজ করে না।

বৈশিষ্ট্য: (১) অত্যন্ত সুনির্দিষ্ট — যেমন ইউরিয়েজ শুধু ইউরিয়া ভাঙে; (২) প্রতিটি এনজাইমের একটি সেরা তাপমাত্রা ও সেরা pH আছে — যেমন পেপসিন pH ≈ 2-এ, ট্রিপসিন pH ≈ 8-এ সবচেয়ে সক্রিয়; (৩) অত্যন্ত দ্রুত — কার্বনিক অ্যানহাইড্রেজ প্রতি সেকেন্ডে প্রায় $10^6$ অণু রূপান্তরিত করে।