পাঠ ১২ / ১৩অনুচ্ছেদ ৪.১৮–৪.১৯, ৪.২২

বিক্রিয়া তাপ, প্রশমন তাপ ও ক্যালরিমিতিEnthalpy changes, heat of neutralisation & calorimetry

দুটি ফোম কাপ (foam cup), দুটিতেই ঘরের তাপমাত্রার তরল আর একটি করে থার্মোমিটার (thermometer)। প্রথম কাপে হাইড্রোক্লোরিক এসিডে (HCl) সোডিয়াম হাইড্রক্সাইড (NaOH) দ্রবণ ঢালো, দ্বিতীয় কাপে পানিতে একটি সাদা কঠিন পদার্থ গুলে দাও:

দুটি কাপেই সবকিছু ঘরের তাপমাত্রায় (room temperature) — 25.0 °C। এবার মেশাও।

কাপ ক-তে (cup A) HCl দ্রবণে NaOH দ্রবণ ঢালো। থার্মোমিটারে (thermometer) কী দেখলে?
কাপ খ-তে (cup B) পানিতে একটি কঠিন পদার্থ (solid) মেশাও।
“আবার” চেপে অন্য কঠিনটিও মিশিয়ে দেখো।

কোনো আগুন বা বরফ ছাড়াই একটি কাপ গরম, আরেকটি ঠান্ডা হয়ে গেল। প্রথম কাপের বাড়তি তাপ (heat) এল কোথা থেকে? দ্বিতীয় কাপের পানির তাপ গেল কোথায়? আর এই তাপ কত, তা মাপব কীভাবে?

এই পাঠে ধাপে ধাপে এগোব:

তাপ আর তাপমাত্রা — আপেক্ষিক তাপধারকত্ব (specific heat capacity) ও $q = mc\Delta T$
সিস্টেম (system), পরিবেশ (surroundings), শক্তির নিত্যতা আর এনথালপি (enthalpy) — তাপোৎপাদী (exothermic) ও তাপহারী (endothermic) পরিবর্তন
বিক্রিয়া তাপের প্রকারভেদ (types of enthalpy change)
প্রশমন তাপ (heat of neutralisation) — সবল, দুর্বল আর HF-এর রহস্য
ক্যালরিমিতি (calorimetry) — কফি-কাপ ক্যালরিমিটার (coffee-cup calorimeter) দিয়ে তাপ মাপা
ব্যবহারিক ৪.২২: অক্সালিক এসিডের দ্রবণ তাপ (heat of solution) — আর বইয়ের ফাঁদ
এবার নিজে করে দেখো — ভার্চুয়াল ক্যালরিমিটার ল্যাব

ধাপ ১: তাপ আর তাপমাত্রা এক জিনিস নয়

তাপ (heat, q) হলো শক্তি (energy), যা তাপমাত্রার পার্থক্যের কারণে এক বস্তু থেকে আরেক বস্তুতে যায়। একক জুল (joule, J) বা কিলোজুল (kJ)। তাপমাত্রা (temperature, T) বলে দেয় বস্তুটি কতটা গরম — অর্থাৎ এর কণাগুলোর গড় গতিশক্তি (average kinetic energy) কত। একক °C বা K।

এক বালতি পানি আর এক কাপ পানিতে একই তাপ দিলে কাপের পানি অনেক বেশি গরম হয় — তাপ এক, তাপমাত্রার বৃদ্ধি আলাদা। কতটা বাড়বে, তা নির্ভর করে তিনটি জিনিসের ওপর:

q = m\,c\,\Delta T

এখানে $m$ = ভর (mass, g), $\Delta T$ = তাপমাত্রার পরিবর্তন (°C বা K — দুটিতে পার্থক্য একই), আর $c$ = আপেক্ষিক তাপধারকত্ব (specific heat capacity): 1 g পদার্থের তাপমাত্রা 1 °C বাড়াতে যত জুল তাপ লাগে। পানির $c = 4.18$ J g⁻¹ K⁻¹ — প্রায় সব সাধারণ পদার্থের চেয়ে বেশি।

তাপ, q (heat): 2000 J

ভর, m (mass):

ΔT = q / (m × c) = 2000 / (100 × 4.184) = 4.8 °C

একই 2000 J তাপ, একই 100 g — তাপমাত্রা কত বাড়ে (ΔT)?

পানি (water) c = 4.1844.8 °C

রান্নার তেল (cooking oil) c = 1.9710.2 °C

অ্যালুমিনিয়াম (aluminium) c = 0.89722.3 °C

লোহা (iron) c = 0.44944.5 °C

পদার্থ	পানি (water)	রান্নার তেল (oil)	অ্যালুমিনিয়াম (Al)	লোহা (Fe)	তামা (Cu)
$c$ (J g⁻¹ K⁻¹)	4.18	≈ 2.0	0.897	0.449	0.385

তাপের পুরনো একক ক্যালরি (calorie): 1 cal = 4.184 J (ঠিক এই মানটিই সংজ্ঞা)। পুরনো বইয়ে “1 kcal” বা “4.2 kJ” দেখলে এই রূপান্তর মনে রেখো।

নিজে যাচাই করো

100 g পানি আর 100 g লোহায় একই 2000 J তাপ দেওয়া হলো। কোনটির তাপমাত্রা বেশি বাড়বে?

ধাপ ২: সিস্টেম, পরিবেশ আর এনথালপি

রসায়নে আমরা যে অংশটি নিয়ে ভাবি — যেমন কাপের ভেতরের বিক্রিয়ক (reactants) আর উৎপাদ (products) — তাকে বলি সিস্টেম (system)। বাকি সবকিছু (কাপের পানি, কাপ, বাতাস) হলো পরিবেশ (surroundings)।

শক্তির নিত্যতা সূত্র (law of conservation of energy) — তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্র (first law of thermodynamics): শক্তি সৃষ্টি বা ধ্বংস হয় না, শুধু এক রূপ থেকে আরেক রূপে যায়। বিক্রিয়ায় যে শক্তি বেরোয়, তা পরিবেশে যায়; যে শক্তি শোষিত হয়, তা পরিবেশ থেকেই আসে। কাপ ক-এর বাড়তি তাপ এসেছে বিক্রিয়কের রাসায়নিক শক্তি (chemical energy) থেকে, আর কাপ খ-এর পানির তাপ চলে গেছে কেলাস (crystal) ভাঙার কাজে।

সিস্টেমের ভেতরের সব কণার গতিশক্তি আর স্থিতিশক্তির (potential energy) মোট যোগফল হলো অভ্যন্তরীণ শক্তি (internal energy, U)। এর আসল মান মাপা যায় না, কিন্তু পরিবর্তন $\Delta U$ মাপা যায়। খোলা পাত্রে (স্থির চাপে, constant pressure) বিক্রিয়ায় গ্যাস তৈরি হলে তা বাতাসকে ঠেলে সরিয়ে কাজ করে ( $P\Delta V$ )। তাই স্থির চাপে শোষিত তাপ:

\begin{gathered} q_p = \Delta U + P\Delta V = \Delta H \\ H = U + PV \end{gathered}

$H$ -কে বলে এনথালপি (enthalpy) বা ধৃত তাপ। এটি অবস্থা অপেক্ষক (state function) — শুধু শুরু আর শেষের অবস্থার ওপর নির্ভর করে, কোন পথে গেল তার ওপর নয়। ল্যাবের বেশির ভাগ বিক্রিয়া খোলা পাত্রে, বায়ুমণ্ডলের স্থির চাপে হয় — তাই বিক্রিয়া তাপ মানেই $\Delta H$ ।

তাপোৎপাদী (exothermic): সিস্টেম তাপ ছাড়ে, পরিবেশ গরম হয়। উৎপাদের এনথালপি কম, তাই $\Delta H < 0$ (ঋণাত্মক)।
তাপহারী (endothermic): সিস্টেম তাপ শোষণ করে, পরিবেশ ঠান্ডা হয়। উৎপাদের এনথালপি বেশি, তাই $\Delta H > 0$ (ধনাত্মক)।

একটি প্রক্রিয়া বেছে নাও আর এনথালপি লেখচিত্রে (energy-level diagram) দেখো তীর কোন দিকে যায়। তারপর উল্টো দিকে চালাও:

তাপোৎপাদী (exothermic), ΔH < 0

CO₂ আর H₂O-এর বন্ধনগুলো (bonds) খুব শক্তিশালী — এগুলো তৈরি হতে যে শক্তি বেরোয়, তা CH₄ ও O₂-এর বন্ধন ভাঙার খরচের চেয়ে অনেক বেশি। বাড়তি শক্তিটাই চুলার তাপ।

চিহ্নের নিয়ম মনে রাখার কৌশল: $\Delta H$ সবসময় সিস্টেমের চোখে লেখা হয়। তাপ বেরিয়ে গেলে সিস্টেম “হারায়” — তাই ঋণাত্মক, যদিও থার্মোমিটার (পরিবেশ) গরম দেখায়। (বইয়ে অভ্যন্তরীণ শক্তিকে $E$ লেখা হয়েছে; আধুনিক IUPAC চিহ্ন $U$ — দুটি একই রাশি।)

নিজে যাচাই করো

নিচের কোন পরিবর্তনটি তাপোৎপাদী (exothermic)?

ধাপ ৩: বিক্রিয়া তাপের প্রকারভেদ

বিক্রিয়া তাপ সবসময় সমতাযুক্ত সমীকরণের (balanced equation) মোল অনুযায়ী লেখা হয়, আর বস্তুর অবস্থা (state: s, l, g, aq) উল্লেখ করতে হয় — কারণ অবস্থা বদলালে $\Delta H$ বদলায়। প্রমাণ অবস্থা (standard state) মানে 25 °C (298 K) আর 1 bar চাপ; তখন চিহ্নে ° দেওয়া হয়: $\Delta H^\circ$ ।

বিক্রিয়া তাপের নাম	সংজ্ঞা (প্রতি মোলে)	উদাহরণ	$\Delta H^\circ$ (kJ/mol)
বিক্রিয়া তাপ (enthalpy of reaction)	সমীকরণে লেখা মোল সংখ্যায় বিক্রিয়ক সম্পূর্ণ বিক্রিয়া করলে	H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g)	−184.6 (প্রতি সমীকরণে)
গঠন তাপ (enthalpy of formation)	প্রমাণ অবস্থার মৌল (element) থেকে 1 mol যৌগ তৈরিতে	C(s) + O₂(g) → CO₂(g)	−393.5
দহন তাপ (enthalpy of combustion)	1 mol পদার্থ পর্যাপ্ত O₂-এ সম্পূর্ণ পুড়লে	CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l)	−890.3
গলন তাপ (enthalpy of fusion)	গলনাঙ্কে 1 mol কঠিন গলে তরল হতে	H₂O(s) → H₂O(l), 0 °C	+6.01
বাষ্পীভবন তাপ (enthalpy of vaporisation)	1 mol তরল বাষ্প হতে	H₂O(l) → H₂O(g)	+40.65 (100 °C-এ); +44.0 (25 °C-এ)
ঊর্ধ্বপাতন তাপ (enthalpy of sublimation)	1 mol কঠিন সরাসরি গ্যাস হতে	C(graphite) → C(g)	+716.7
পরমাণুকরণ তাপ (enthalpy of atomisation)	1 mol গ্যাসীয় পরমাণু তৈরিতে	½Cl₂(g) → Cl(g)	+121.3
দ্রবণ তাপ (enthalpy of solution)	1 mol দ্রব (solute) প্রচুর দ্রাবকে (solvent) গুলে লঘু দ্রবণ তৈরিতে	NH₄NO₃(s) → NH₄NO₃(aq)	+25.7
প্রশমন তাপ (enthalpy of neutralisation)	এসিড-ক্ষার বিক্রিয়ায় 1 mol পানি তৈরিতে	H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l)	−55.8

কয়েকটি জিনিস খেয়াল করো:

গলন, বাষ্পীভবন, ঊর্ধ্বপাতন আর পরমাণুকরণ সবসময় তাপহারী — কণাগুলোকে আলাদা করতে শক্তি লাগে। উল্টো প্রক্রিয়া (জমাট বাঁধা, ঘনীভবন) একই মানে তাপোৎপাদী।
পানির বাষ্পীভবন তাপ তাপমাত্রার ওপর নির্ভর করে: স্ফুটনাঙ্কে (100 °C) 40.65, আর 25 °C-এ 44.0 kJ/mol।
দ্রবণ তাপ দুই চিহ্নেরই হতে পারে। কেলাস জালি (lattice) ভাঙতে শক্তি লাগে, আর আয়ন পানির অণুতে ঘেরা হতে (hydration) শক্তি বেরোয় — কোনটি বড়, তার ওপর চিহ্ন নির্ভর করে: NaOH −44.5, CaCl₂ −81.3, অনার্দ্র CuSO₄ −73.3 (তাপোৎপাদী); NH₄NO₃ +25.7, KNO₃ +34.9, ইউরিয়া +15.4 (তাপহারী)। কেলাস-পানিযুক্ত লবণ (hydrated salt) যেমন CuSO₄·5H₂O-এর পানি আগেই জুড়ে আছে, তাই এটি তাপ শোষণ করে (+11.5)।

নিজে যাচাই করো

½Cl₂(g) → Cl(g), ΔH = +121.3 kJ। তাহলে Cl₂(g) → 2Cl(g) বিক্রিয়ার ΔH কত?

ধাপ ৪: প্রশমন তাপ — সবল, দুর্বল আর HF

25 °C-এ লঘু দ্রবণে এসিড ও ক্ষারের বিক্রিয়ায় 1 mol পানি তৈরির সময় যে তাপ বেরোয়, তা-ই প্রশমন তাপ (enthalpy of neutralisation)।

সবল এসিড + সবল ক্ষার: মান সবসময় একই। কারণ HCl, HNO₃, NaOH, KOH পানিতে সম্পূর্ণ আয়নিত (fully ionised)। HCl + NaOH-এর আয়নিক সমীকরণ (ionic equation) লিখলে:

\begin{aligned} &\mathrm{H^+ + \cancel{Cl^-} + \cancel{Na^+} + OH^-} \\ &\quad \longrightarrow \mathrm{\cancel{Na^+} + \cancel{Cl^-} + H_2O(l)} \end{aligned}

Na⁺ আর Cl⁻ দর্শক আয়ন (spectator ions) — দুই দিকেই একই। আসল বিক্রিয়া শুধু

\begin{gathered} \mathrm{H^+(aq) + OH^-(aq) \longrightarrow H_2O(l)} \\ \Delta H^\circ = -55.8\ \text{kJ mol}^{-1} \end{gathered}

যে সবল এসিড আর যে সবল ক্ষারই নাও, বিক্রিয়া এটিই — তাই মান ধ্রুব। (বইয়ে −57.3 kJ লেখা আছে; এটি পুরনো মান, যা প্রায় 18 °C-এ মাপা। প্রশমন তাপ তাপমাত্রার সঙ্গে প্রতি ডিগ্রিতে প্রায় 0.22 kJ বদলায়; 25 °C-এ আধুনিক সঠিক মান −55.8 kJ/mol।)

দুর্বল এসিড বা ক্ষার থাকলে হিসাবে আরও একটি ধাপ ঢোকে: দুর্বল এসিড/ক্ষারকে আগে আয়নিত হতে হয়, আর সেই আয়নীকরণ এনথালপি (enthalpy of ionisation) যোগ হয়:

\begin{aligned} \Delta H_{\text{neut}} = -55.8 &+ \Delta H_{\text{ion}}(\text{acid}) \\ &+ \Delta H_{\text{ion}}(\text{base}) \end{aligned}

আয়নীকরণ সাধারণত তাপহারী — তাই প্রশমন তাপ কম হয়। যেমন NH₃ (NH₄OH) + HCl: −52.2; খুব দুর্বল HCN + NaOH: মাত্র −12.3।
HF ব্যতিক্রম: F⁻ আয়ন খুব ছোট, এর চার্জ ঘনত্ব (charge density) বেশি, তাই পানির অণু একে খুব শক্ত করে ঘিরে ধরে — হাইড্রেশনে (hydration) বাড়তি তাপ বেরোয়। HF-এর আয়নীকরণ তাই তাপোৎপাদী, আর HF + NaOH-এর প্রশমন তাপ বেশি: −68.4 (বইয়ে −68.6, প্রায় একই)।
অ্যাসিটিক এসিড প্রায় ব্যতিক্রম: 25 °C-এ এর আয়নীকরণ এনথালপি প্রায় শূন্য (−0.3 kJ/mol), তাই CH₃COOH + NaOH-এর মান (−56.1) সবল এসিডের প্রায় সমান।

নিচে ক্ষার বদলে দেখো, আর প্রতিটি বারে (bar) চাপ দিয়ে কারণ পড়ো:

ক্ষার (base):

এসিড (acid)প্রশমন তাপ, −ΔH (kJ/mol)

সবল এসিড + সবল ক্ষার: −55.8 kJ/mol (25 °C) · বারে চাপ দিয়ে কারণ দেখো

কোনো একটি বারে (bar) চাপ দাও।

নিজে যাচাই করো

1 M KOH + 1 M HNO₃ আর 1 M NaOH + 1 M HF — কোনটির প্রশমন তাপ (মান হিসেবে) বেশি?

ধাপ ৫: ক্যালরিমিতি — তাপ মাপার কৌশল

বিক্রিয়ার তাপ সরাসরি মাপা যায় না; আমরা মাপি পরিবেশের তাপমাত্রার পরিবর্তন, তারপর $q = mc\Delta T$ দিয়ে তাপ হিসাব করি। এই পদ্ধতির নাম ক্যালরিমিতি (calorimetry), আর যন্ত্রটি ক্যালরিমিটার (calorimeter)। স্কুল-কলেজের ল্যাবে সবচেয়ে সহজ হলো দুটি ফোম কাপ দিয়ে তৈরি কফি-কাপ ক্যালরিমিটার:

কফি-কাপ ক্যালরিমিটার (coffee-cup calorimeter)। ফোম (polystyrene) তাপ খুব কম পরিবহন করে, আর ঢাকনা ওপর দিয়ে তাপ হারানো আটকায় — ফলে বিক্রিয়ার প্রায় সব তাপ মিশ্রণের তাপমাত্রা বদলাতেই খরচ হয়। চাপ স্থির (বায়ুমণ্ডলের চাপ), তাই মাপা তাপ = ΔH।

হিসাবের তিনটি ধাপ:

দ্রবণ (আর কাপ) যে তাপ পেল: $q = (m c + C)\,\Delta T$ । এখানে $m$ = দ্রবণের মোট ভর (লঘু দ্রবণে 1 mL ≈ 1 g), $c \approx 4.18$ J g⁻¹ K⁻¹, আর $C$ = ক্যালরিমিটারের তাপধারকত্ব (heat capacity of the calorimeter) — কাপ, থার্মোমিটার আর আলোড়ক (stirrer) 1 °C গরম করতে যত জুল লাগে। ফোম কাপে $C$ ছোট (প্রায় 10 J/K), কাচের বিকারে অনেক বড়।
বিক্রিয়ার মোল $n$ বের করো (প্রশমনে = তৈরি পানির মোল, দ্রবণ তাপে = দ্রবের মোল)।
দ্রবণ যে তাপ পেল, সিস্টেম ঠিক ততটা হারাল: $\Delta H = -\dfrac{q}{n}$ । তাপমাত্রা বাড়লে $\Delta H$ ঋণাত্মক, কমলে ধনাত্মক।

উদাহরণ: 50 mL 1.0 M HCl আর 50 mL 1.0 M NaOH (দুটিই 25.0 °C) মেশানোর পর তাপমাত্রা হলো 31.5 °C। $q = 100 \times 4.18 \times 6.5 = 2717$ J; $n = 0.050 \times 1.0 = 0.050$ mol; $\Delta H = -2717 / 0.050 = -54\,340$ J/mol $= -54.3$ kJ/mol।

ক্যালরিমিটার কখনো নিখুঁত অন্তরক (insulator) নয় — মিশ্রণ গরম হওয়ার সময়ই কিছু তাপ বাইরে চলে যায়। তাই ভালো পরীক্ষায় মেশানোর আগে ও পরে নিয়মিত সময় পরপর তাপমাত্রা লিখে তাপমাত্রা–সময় লেখচিত্র (temperature–time graph) আঁকা হয়, আর ঠান্ডা হওয়ার রেখাটি পেছনে মেশানোর মুহূর্ত পর্যন্ত বাড়িয়ে (extrapolate) আসল ΔT পড়া হয়:

ঢাকনা ছাড়া কাপে 50 mL 1 M HCl + 50 mL 1 M NaOH (এই পাঠের সিমুলেশন মডেল থেকে আঁকা)। তাপমাত্রা চূড়ায় ওঠার আগেই কাপ তাপ হারাতে শুরু করে, তাই সর্বোচ্চ পাঠ আসল ΔT-এর চেয়ে কম। ঠান্ডা হওয়ার সরলরেখাটিকে পেছনে মেশানোর মুহূর্ত (t = 0) পর্যন্ত টেনে T₂ পড়লে সেই হারানো তাপের সংশোধন (correction) হয়ে যায়।

$C$ মাপার উপায় — ক্রমাঙ্কন (calibration): কাপে ঠান্ডা পানি নিয়ে জানা তাপমাত্রার গরম পানি মেশাও। গরম পানির হারানো তাপ = ঠান্ডা পানির পাওয়া তাপ + কাপের পাওয়া তাপ:

\begin{aligned} m_h c\,(T_h - T_f) &= m_c c\,(T_f - T_c) \\ &\quad + C\,(T_f - T_c) \end{aligned}

নিজে যাচাই করো

একজন শিক্ষার্থী ঢাকনা ছাড়া কাপে প্রশমন তাপ মেপে শুধু সর্বোচ্চ তাপমাত্রা নিল। তার মান −55.8 kJ/mol-এর তুলনায় কেমন আসবে?

ধাপ ৬: ব্যবহারিক ৪.২২ — অক্সালিক এসিডের দ্রবণ তাপ

অক্সালিক এসিড (oxalic acid) কেলাস হিসেবে পাওয়া যায় দুই অণু কেলাস-পানিসহ: H₂C₂O₄·2H₂O, মোলার ভর (molar mass) 126.07 g/mol। পানিতে গুললে এটি তাপ শোষণ করে — পানি ঠান্ডা হয়। প্রকৃত দ্রবণ তাপ +35.2 kJ/mol।

বইয়ের পদ্ধতি: 87.4 g পানিতে 12.6 g (0.1 mol) গুঁড়া অক্সালিক এসিড মিশিয়ে নেড়ে, তাপমাত্রা কতটা কমল (t °C) মাপা, তারপর $\Delta H = 0.42 \times t \times 10$ kJ/mol (100 g দ্রবণ × 4.2 × t ÷ 0.1 mol)। হিসাব ঠিক, কিন্তু রেসিপিতে একটি ফাঁদ আছে: অক্সালিক এসিড পানিতে খুব বেশি গলে না (20 °C-এ প্রায় 9.5 g/100 g পানি, অনার্দ্র হিসেবে), আর ঠান্ডা পানিতে আরও কম গলে। গলতে গলতে দ্রবণ ঠান্ডা হয়, ফলে দ্রাব্যতা (solubility) কমে — নিচে নিজে দেখো:

অক্সালিক এসিড (H₂C₂O₄·2H₂O): 12.6 g = 0.100 molপানি (water): 87.4 g

লাল রেখা (dashed) দেখাচ্ছে সব গললে দ্রবণ কোথায় পৌঁছানোর কথা। এবার “গোলাও” চাপো — দেখো বিন্দুটি সেখানে পৌঁছায় কি না।

ভালো রেসিপি: 6.3 g (0.05 mol) অক্সালিক এসিড 100 g পানিতে, ঢাকনাসহ ফোম কাপে। সব গলে যায়, তাপমাত্রা প্রায় 4 °C কমে। হিসাব $\Delta H = \dfrac{(106.3 \times 4.18 + C)\,|\Delta T|}{0.05}$ । বইয়ের সূত্রে বিকারের তাপধারকত্ব (heat capacity) ধরা হয়নি — HSC স্তরে তা চলে, কিন্তু মনে রেখো এতে মান একটু কম আসে।

নিজে যাচাই করো

বইয়ের রেসিপিতে (12.6 g অক্সালিক এসিড + 87.4 g পানি) মাপা দ্রবণ তাপ আসল মানের চেয়ে কম আসে কেন?

ধাপ ৭: এবার নিজে করে দেখো

এবার ভার্চুয়াল কফি-কাপ ক্যালরিমিটার। যা যা করতে পারবে:

ক) প্রশমন তাপ: 50 mL 1.0 M এসিড + 50 mL 1.0 M ক্ষার। এসিড আর ক্ষার বদলে দেখো।
খ) দ্রবণ তাপ: NaOH, NH₄NO₃, CaCl₂, অক্সালিক এসিড বা ইউরিয়া — ভর আর পানির পরিমাণ নিজে ঠিক করো; “বইয়ের ব্যবহারিক” বোতামে বইয়ের রেসিপি।
গ) ক্রমাঙ্কন: গরম + ঠান্ডা পানি দিয়ে কাপের $C$ মাপো — তারপর হিসাবে “মাপা C” বেছে নাও।
পাত্র (ফোম কাপ বা কাচের বিকার) আর ঢাকনা বদলে দেখো ফল কতটা বদলায়।
মেশাও চাপলে থার্মোমিটার মেশানোর 60 s আগে থেকে 360 s পর পর্যন্ত প্রতি 2 s-এ পাঠ নেবে। তারপর ΔT কীভাবে নেবে (সর্বোচ্চ পাঠ না বহির্বেশিত T₂) বেছে হিসাব করো আর খাতায় লেখো।

ক্যালরিমিটার — ভার্চুয়াল ল্যাব

Coffee-cup calorimeter lab

↗

এসিড (acid), 50 mL 1.0 M:

ক্ষার (base), 50 mL 1.0 M:

পাত্র (vessel):

ক্যালরিমিটারে (calorimeter) সব প্রস্তুত। পরীক্ষা বেছে নাও, তারপর “মেশাও” চাপো — থার্মোমিটার (thermometer) প্রতি 2 সেকেন্ডে পাঠ (reading) নেবে।

চ্যালেঞ্জ (challenges)

0/6

HCl + NaOH-এর প্রশমন তাপ (heat of neutralisation) মাপো — প্রকৃত −55.8 kJ/mol-এর 3%-এর মধ্যে
এবার HNO₃ + KOH মাপো — HCl + NaOH-এর সমান আসে কি না দেখো (3%-এর মধ্যে)
দুর্বল এসিড/ক্ষার দিয়ে মাপো: CH₃COOH + NaOH, HCl + NH₃, HF + NaOH — কোনটি কম, কোনটি বেশি? (0/3)
গরম + ঠান্ডা পানি দিয়ে ফোম কাপের তাপধারকত্ব (heat capacity, C) মাপো (প্রকৃতের ±4 J/K), তারপর সেই C ধরে সবল এসিড-ক্ষারের ΔH আবার মাপো — 1%-এর মধ্যে (0/2)
বইয়ের অক্সালিক এসিড ব্যবহারিক (12.6 g + 87.4 g পানি) চালাও; তারপর এমন রেসিপি বানাও যাতে সব গলে আর ΔH = +35.2 kJ/mol-এর 5%-এর মধ্যে আসে (0/2)
একই বিক্রিয়া একই পদ্ধতিতে ঢাকনাসহ আর ঢাকনা ছাড়া মাপো — ঢাকনা সরালে ফল খারাপ হয় দেখাও

পর্যবেক্ষণ খাতা (observation notebook)

এখনো কিছু লেখা হয়নি। একটি পরীক্ষা চালিয়ে হিসাব করো, তারপর “খাতায় লেখো” চাপো।

বই পড়ার সময় সাবধান — এই অংশে পাঠ্যবইয়ে বেশ কিছু ভুল মান আর ভুল কথা আছে:

CaCO₃ → CaO + CO₂-এর ΔH° = +198 kJ ছাপা হয়েছে — সঠিক মান +179.2 kJ (NIST: ΔfH° CaCO₃ −1207.6, CaO −634.9, CO₂ −393.5)। বই নিজেই পরে অনুশীলনীতে 179.2 ব্যবহার করেছে।
পানির বাষ্পীভবন তাপ “স্ফুটনাঙ্কে 44.0 kJ/mol” — ভুল। স্ফুটনাঙ্কে (100 °C) মান 40.65 kJ/mol; 44.0 হলো 25 °C-এর মান।
“দ্রবীভূত হওয়ার সময় রাসায়নিক বিক্রিয়া না হলে দ্রবণ তাপ ধনাত্মক” — ভুল। NaOH, CaCl₂, অনার্দ্র CuSO₄ গুললে তাপ বেরোয় (ΔH ঋণাত্মক); দ্রবণ তাপের চিহ্ন নির্ভর করে জালি ভাঙার শক্তি আর হাইড্রেশন শক্তির তুলনার ওপর।
CaCl₂-এর দ্রবণ তাপ −75 kJ/mol → সঠিক −81.3; অনার্দ্র CuSO₄ −66.04 → আধুনিক মান −73.3। K-এর ঊর্ধ্বপাতন তাপ 90 → 89.0 (সামান্য)।
প্রশমন তাপ −57.34 kJ/mol — এটি পুরনো মান (প্রায় 18 °C-এ মাপা)। 25 °C-এ লঘু দ্রবণে সঠিক মান −55.8 kJ/mol। পরীক্ষায় বইয়ের মান লিখলে অসুবিধা নেই, কিন্তু জেনে রাখো আসলটা কী।
“CH₃COOH + NaOH-এ আয়নীকরণে 2.2 kJ খরচ হয়, তাই −55.14” — আধুনিক মাপে 25 °C-এ অ্যাসিটিক এসিডের আয়নীকরণ এনথালপি প্রায় শূন্য, মান ≈ −56.1। “দুর্বল এসিড/ক্ষারে প্রশমন তাপ কম” নিয়মটি সাধারণভাবে সত্য (NH₃: −52.2, HCN: −12.3), কিন্তু অ্যাসিটিক এসিড তার ভালো উদাহরণ নয়। সারণির CH₃COOH + NH₄OH −50.40 → প্রায় −52.5।
অনুশীলনীতে H₂-এর দহন তাপ “−85.85” — ছাপার ভুল, হবে −285.85 kJ/mol।
ব্যবহারিক ৪.২২-এর ফল “অক্সালিক এসিডের দ্রবণ তাপ +18.94 kJ/mol” — অনেক কম; প্রকৃত মান +35.2 kJ/mol (Apelblat, 1986)। কারণ বইয়ের রেসিপিতে (12.6 g + 87.4 g পানি) দ্রবণ ঠান্ডা হতে হতে সম্পৃক্ত হয়ে যায়, সব কঠিন গলে না; খোলা বিকারে তাপও ঢোকে, আর বিকারের তাপধারকত্ব ধরা হয়নি। 6.3 g-কে 100 g পানিতে নাও।

ঘরে বসে পরীক্ষা: ইউরিয়া সার দিয়ে “ঠান্ডা থলি”

কৃষি কাজে ব্যবহৃত ইউরিয়া সার (urea fertiliser) পানিতে গুললে তাপ শোষণ করে (+15.4 kJ/mol)।

দুটি ফোম বা প্লাস্টিকের কাপে আধা কাপ করে ঘরের তাপমাত্রার কলের পানি নাও।
প্রথম কাপে দুই চা-চামচ ইউরিয়া দিয়ে চামচ দিয়ে নাড়ো; দ্বিতীয় কাপে কিছু দিও না।
দুই হাতে দুটি কাপ ধরে তুলনা করো। ঘরে রান্নার বা অ্যাকুয়ারিয়ামের থার্মোমিটার থাকলে প্রতি 30 সেকেন্ডে তাপমাত্রা লিখে একটি তাপমাত্রা–সময় লেখচিত্র আঁকো। প্রায় 5 °C ঠান্ডা হওয়ার কথা।
ইউরিয়ার পরিমাণ দ্বিগুণ করলে, বা পানি অর্ধেক করলে কী হয়? $q = mc\Delta T$ দিয়ে ব্যাখ্যা করো।
চাইলে খাবার সোডা (baking soda) আর সিরকা (vinegar) মিশিয়েও দেখো — এটিও কয়েক ডিগ্রি ঠান্ডা হয়।

নিরাপত্তা: ইউরিয়া বা দ্রবণ মুখে দিও না, খাবারের পাত্র ব্যবহার করো না, কাজ শেষে হাত ধুয়ে নাও। ব্যবহৃত ইউরিয়া-পানি অনেক পানি দিয়ে পাতলা করে গাছের গোড়ায় ঢেলে দিতে পারো — এটা তো সারই!

পরীক্ষার প্রস্তুতি

১. সবল এসিড ও সবল ক্ষারের প্রশমন তাপ ধ্রুব কেন? HF ও NaOH-এর প্রশমন তাপ বেশি কেন?

সবল এসিড (HCl, HNO₃) আর সবল ক্ষার (NaOH, KOH) লঘু দ্রবণে সম্পূর্ণ আয়নিত। মেশালে ধাতব আয়ন আর অ্যানায়নগুলো দর্শক আয়ন হিসেবে অপরিবর্তিত থাকে; আসল বিক্রিয়া সবসময় H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l)। তাই যেকোনো সবল এসিড-সবল ক্ষারের প্রশমন তাপ একই: 25 °C-এ −55.8 kJ/mol (বইয়ের পুরনো মান −57.3)।

HF দুর্বল এসিড, তবু এর প্রশমন তাপ বেশি (−68.4; বইয়ে −68.6), কারণ F⁻ আয়ন খুব ছোট ও চার্জ ঘনত্ব বেশি — পানির অণু দিয়ে এর হাইড্রেশনে অনেক তাপ বেরোয়, তাই HF-এর আয়নীকরণ তাপোৎপাদী। এই বাড়তি তাপ প্রশমনের তাপের সঙ্গে যোগ হয়।

২. 100 mL 0.5 M HCl ও 100 mL 0.5 M NaOH (দুটিই 25.0 °C) একটি ফোম কাপে মেশানোয় তাপমাত্রা 28.3 °C হলো। প্রশমন তাপ নির্ণয় করো। (দ্রবণের ঘনত্ব 1 g/mL, c = 4.18 J g⁻¹ K⁻¹; কাপের তাপধারকত্ব উপেক্ষণীয়)

$m = 200$ g, $\Delta T = 28.3 - 25.0 = 3.3$ °C। $q = mc\Delta T = 200 \times 4.18 \times 3.3 = 2758.8$ J। $n(\mathrm{H_2O}) = 0.100 \times 0.5 = 0.050$ mol। $\Delta H = -\dfrac{q}{n} = -\dfrac{2758.8}{0.050} = -55\,176$ J/mol $\approx -55.2$ kJ/mol।

(কাপের তাপধারকত্ব আর তাপ ক্ষতি উপেক্ষা করায় মান −55.8-এর চেয়ে সামান্য কম।)

৩. একটি ফোম কাপে 50 g পানি 25.0 °C-এ আছে। এতে 60.0 °C-এর 50 g পানি মেশানোয় মিশ্রণের তাপমাত্রা হলো 42.1 °C। ক্যালরিমিটারের তাপধারকত্ব কত?

গরম পানির হারানো তাপ = $50 \times 4.18 \times (60.0 - 42.1) = 3741.1$ J। ঠান্ডা পানির পাওয়া তাপ = $50 \times 4.18 \times (42.1 - 25.0) = 3573.9$ J। কাপের পাওয়া তাপ = $3741.1 - 3573.9 = 167.2$ J, আর কাপের তাপমাত্রা বেড়েছে 17.1 °C। $C = \dfrac{167.2}{17.1} = 9.8$ J K⁻¹।

৪. 6.3 g অক্সালিক এসিড (H₂C₂O₄·2H₂O, M = 126) 100 g পানিতে গোলানোয় তাপমাত্রা 25.0 °C থেকে কমে 21.2 °C হলো। দ্রবণ তাপ নির্ণয় করো। বইয়ের রেসিপিতে (12.6 g + 87.4 g পানি) মান কম আসে কেন?

$n = 6.3 / 126 = 0.050$ mol; দ্রবণের ভর $= 106.3$ g; $\Delta T = -3.8$ °C। দ্রবণ যে তাপ হারাল: $q = 106.3 \times 4.18 \times (-3.8) = -1688.5$ J। $\Delta H = -\dfrac{q}{n} = +\dfrac{1688.5}{0.050} = +33\,770$ J/mol $\approx +33.8$ kJ/mol (প্রকৃত +35.2; বাকিটা কাপের তাপধারকত্ব ও তাপ আদান-প্রদানের জন্য)।

বইয়ের রেসিপিতে গলতে গলতে দ্রবণ প্রায় 8 °C ঠান্ডা হয়ে সম্পৃক্ত হয়ে যায়, ফলে কিছু অক্সালিক এসিড গলে না; অথচ হিসাবে পুরো 0.1 mol ধরা হয় — তাই ΔH কম আসে।

৫. CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g) বিক্রিয়ার এনথালপি লেখচিত্র আঁকো। ΔfH°: CaCO₃ −1207.6, CaO −634.9, CO₂ −393.5 kJ/mol।

$\Delta H^\circ = [(-634.9) + (-393.5)] - (-1207.6) = +179.2$ kJ। ধনাত্মক, তাই তাপহারী: লেখচিত্রে CaCO₃-এর স্তর নিচে, CaO + CO₂-এর স্তর 179.2 kJ উপরে, তীর নিচ থেকে উপরে (পরিবেশ থেকে তাপ শোষিত)। এজন্যই চুন তৈরিতে চুল্লিতে অবিরাম তাপ দিতে হয়।

৬. পুরনো বইয়ে প্রশমন তাপ 13.7 kcal/mol লেখা থাকে। একে kJ/mol-এ প্রকাশ করো। কোনটি ঠিক — 2H₂O(l) → 2H₂O(g) বিক্রিয়ার ΔH = +88.0 kJ না +44.0 kJ (25 °C)?

$13.7 \times 4.184 = 57.3$ kJ/mol — অর্থাৎ বইয়ের −57.3 kJ/mol মানটি পুরনো kcal মান থেকে এসেছে।

25 °C-এ বাষ্পীভবন তাপ 44.0 kJ/mol, আর সমীকরণে 2 mol পানি, তাই $\Delta H = 2 \times 44.0 = +88.0$ kJ। বিক্রিয়া তাপ সমীকরণে লেখা মোলের সমানুপাতিক।