পাঠ ১৫ / ২০অনুচ্ছেদ ২.১৪–২.১৪.২

গ্লিসারিন ও ফেনলGlycerine & phenol

হাসপাতালের মেঝে মোছার জীবাণুনাশকের সেই চেনা গন্ধ আসে ফেনল (phenol) পরিবারের যৌগ থেকে; আর শীতে ঠোঁটে যে গ্লিসারিন (glycerine) লাগাও, তা আসে চর্বি থেকে সাবান বানানোর কারখানা থেকে। দুটোতেই অ্যালকোহলের (alcohol) মতো –OH মূলক আছে। নিচের তিনটি টেস্টটিউবে নিজে পরীক্ষা করো:

একই –OH, অথচ ফেনল NaOH-এ গলে যায়, সাইক্লোহেক্সানল গলে না। বেনজিন বলয় –OH-কে কী এমন বদলে দিল? আর গ্লিসারিনের তিনটি –OH তাকে কেমন যৌগ বানায়?

এই পাঠে ধাপে ধাপে এগোব:

1. একাধিক –OH: পলিহাইড্রিক অ্যালকোহল (polyhydric alcohol) — স্ফুটনাঙ্ক (boiling point) ও সান্দ্রতা (viscosity)
2. চর্বি ও তেল (fat & oil) — ট্রাইগ্লিসারাইড (triglyceride) আর সাবানীকরণ (saponification)
3. প্রোপিন (propene) থেকে কৃত্রিম গ্লিসারিন
4. গ্লিসারিনের শনাক্তকরণ (identification) — Na, PCl₅, অ্যাক্রোলিন পরীক্ষা (acrolein test)
5. ফেনল কী — জীবাণুনাশক (disinfectant) বনাম পচনরোধক (antiseptic)
6. ফেনল অম্লীয় (acidic) কেন — অনুরণন (resonance) ও pKa
7. ফেনলের প্রস্তুতি (preparation) — কিউমিন (cumene), ডাউ (Dow), আলকাতরা (coal tar), ডায়াজোনিয়াম লবণ (diazonium salt)
8. ফেনলের শনাক্তকারী বিক্রিয়া (identification tests)
9. এবার নিজে করে দেখো — ভার্চুয়াল ল্যাব (virtual lab)

ধাপ ১: একাধিক –OH — পলিহাইড্রিক অ্যালকোহল

অ্যালকোহলের পাঠে দেখেছ, –OH মূলক অণুগুলোর মধ্যে হাইড্রোজেন বন্ধন (hydrogen bond) তৈরি করে। একটি অণুতে –OH যত বেশি, অণুগুলো তত বেশি H-বন্ধনে একে অপরকে আঁকড়ে ধরে। দুই –OH-এর অণু ডাইহাইড্রিক (dihydric) বা ডাইঅল (diol), যেমন ইথেন-1,2-ডাইঅল (ethane-1,2-diol, গ্লাইকল); তিন –OH-এর অণু ট্রাইহাইড্রিক (trihydric) বা ট্রাইঅল (triol) — গ্লিসারিন, IUPAC নাম প্রোপেন-1,2,3-ট্রাইঅল (propane-1,2,3-triol), $\ce{HOCH2-CH(OH)-CH2OH}$। নিজে –OH বাড়িয়ে দেখো:

অর্থাৎ প্রতিটি বাড়তি –OH-এ স্ফুটনাঙ্ক প্রায় 100 °C বাড়ে। প্রচুর –OH থাকায় গ্লিসারিন পানির সঙ্গে যেকোনো অনুপাতে মেশে, স্বাদে মিষ্টি, আর বাতাস থেকে পানি টেনে নেয় — আর্দ্রতাগ্রাহী (hygroscopic)। এজন্যই গ্লিসারিন লোশন, কোল্ড ক্রিম, লিপস্টিক আর টুথপেস্টে ময়েশ্চারাইজার (moisturiser) হিসেবে দেওয়া হয়।

ধাপ ২: চর্বি ও তেল — ট্রাইগ্লিসারাইড আর সাবানীকরণ

প্রাণিজ চর্বি ও উদ্ভিজ্জ তেল হলো গ্লিসারিন আর উচ্চতর ফ্যাটি এসিডের (fatty acid) এস্টার (ester) — ট্রাইগ্লিসারাইড (triglyceride)। গ্লিসারিনের তিনটি –OH-ই তিনটি ফ্যাটি এসিডের –COOH-এর সঙ্গে এস্টার বন্ধন তৈরি করে:

• সম্পৃক্ত (saturated) ফ্যাটি এসিড — পামিটিক (palmitic, $\ce{C15H31COOH}$), স্টিয়ারিক (stearic, $\ce{C17H35COOH}$) — সোজা শিকল ঘন হয়ে সাজে, তাই এদের ট্রাইগ্লিসারাইড ঘরের তাপমাত্রায় কঠিন: চর্বি (fat)।
• অসম্পৃক্ত (unsaturated) ফ্যাটি এসিড — অলিয়িক (oleic, $\ce{C17H33COOH}$), লিনোলিয়িক (linoleic, $\ce{C17H31COOH}$) — সিস দ্বিবন্ধনের বাঁক শিকলগুলোকে দূরে রাখে, তাই তরল: তেল (oil)।

সাবানীকরণ (saponification): চর্বিকে NaOH দ্রবণের সঙ্গে ফোটালে এস্টার বন্ধন ভেঙে গ্লিসারিন আর ফ্যাটি এসিডের সোডিয়াম লবণ — সাবান (soap) — তৈরি হয়:

এক মোল চর্বিতে লাগে তিন মোল NaOH, পাওয়া যায় এক মোল গ্লিসারিন আর তিন মোল সাবান। এরপর গাঢ় লবণ পানি (brine, NaCl) দিলে সাবানের দ্রবণীয়তা কমে যায়, সাবান ভেসে ওঠে — লবণ যোগে পৃথকীকরণ (salting out)। নিচে পড়ে থাকা তরল স্পেন্ট লাই (spent lye)-এ থাকে পানি, NaCl আর প্রায় 3–5 % গ্লিসারিন; একে পরিশোধন করে নিম্নচাপে পাতন (vacuum distillation) করলে বিশুদ্ধ গ্লিসারিন মেলে। নিজে সাবান বানাও — চর্বি আর NaOH-এর ভর বদলে দেখো কোনটি সীমাবদ্ধ বিক্রিয়ক (limiting reagent):

অম্লীয় আর্দ্র বিশ্লেষণ (acid hydrolysis): লঘু H₂SO₄ বা HCl প্রভাবকের (catalyst) উপস্থিতিতে চর্বি ফোটালে লবণের বদলে মুক্ত ফ্যাটি এসিড পাওয়া যায় — এবং এখানেও প্রতি অণু চর্বি থেকে তিন অণু এসিড:

ধাপ ৩: প্রোপিন থেকে কৃত্রিম গ্লিসারিন

সাবান কারখানার লাই ছাড়াও পেট্রোলিয়ামের প্রোপিন থেকে গ্লিসারিন তৈরি করা যায় — চারটি ধাপে প্রতিটি কার্বনে একে একে –OH বসে। ধাপগুলো চেপে চেপে দেখো:

ধাপ ৪: গ্লিসারিনের শনাক্তকরণ

গ্লিসারিনের দুটি –OH প্রাথমিক (1°, –CH₂OH) আর একটি মাধ্যমিক (2°, –CHOH–)।

1. সোডিয়াম (Na): অ্যালকোহলের মতোই H₂ গ্যাসের বুদবুদ দেয়। অতিরিক্ত Na আর যথেষ্ট সময় দিলে তিনটি –OH-ই বিক্রিয়া করে (2° –OH ধীরে, কিন্তু করে) — তাই 1 mol গ্লিসারিন থেকে 1.5 mol H₂: $\ce{2C3H5(OH)3 + 6Na -> 2C3H5(ONa)3 + 3H2 ^}$
2. PCl₅: প্রতিটি –OH Cl দিয়ে প্রতিস্থাপিত হয়, ঝাঁঝালো HCl ধোঁয়া বের হয়: $\ce{C3H5(OH)3 + 3PCl5 -> C3H5Cl3 + 3POCl3 + 3HCl ^}$
3. অ্যাক্রোলিন পরীক্ষা (acrolein test): শুষ্ক পটাশিয়াম হাইড্রোজেন সালফেটের (KHSO₄) সঙ্গে উত্তপ্ত করলে গ্লিসারিন থেকে দুই অণু পানি অপসারিত হয়ে অ্যাক্রোলিন (acrolein, প্রোপ-2-ইনাল) তৈরি হয় — তীব্র ঝাঁঝালো, চোখ-জ্বালানো গন্ধ: $\ce{C3H5(OH)3 ->[KHSO4][\Delta] CH2=CH-CHO + 2H2O}$ কড়াইয়ে তেল পুড়ে গেলে যে কটু ধোঁয়া চোখে লাগে, সেটিও এই অ্যাক্রোলিন — তেলের গ্লিসারিন অংশ থেকে।

ধাপ ৫: ফেনল কী

বেনজিন বলয়ের একটি H-এর জায়গায় –OH বসালে পাওয়া যায় ফেনল (phenol), $\ce{C6H5OH}$ — পুরোনো নাম কার্বলিক এসিড (carbolic acid)। এখানে –OH যুক্ত আছে বলয়ের sp² কার্বনে, অ্যালকোহলের মতো sp³ কার্বনে নয় — এই পার্থক্যই পুরো পাঠের চাবিকাঠি। বর্ণহীন কেলাস (m.p. 40.9 °C), বাতাসে রাখলে জারিত হয়ে গোলাপি হয়; ত্বক পুড়িয়ে দেয় ও বিষাক্ত।

• জীবাণুনাশক (disinfectant): নির্জীব জিনিস — মেঝে, যন্ত্রপাতি — জীবাণুমুক্ত করে।
• পচনরোধক (antiseptic): জীবন্ত টিস্যু, যেমন ক্ষতস্থানে জীবাণু মারে বা বৃদ্ধি থামায়; তাই কোমল হতে হয়।

একই পদার্থ ঘনমাত্রা অনুযায়ী দুই কাজেই লাগতে পারে (বইয়ের প্রচলিত উদাহরণ: ফেনলের 1 % দ্রবণ জীবাণুনাশক, 0.2 % দ্রবণ পচনরোধক)। আজ ফেনল নিজে খুব কম ব্যবহৃত হয়; ডেটলের ক্লোরোজাইলেনলের (chloroxylenol) মতো নিরাপদ ফেনল-যৌগ ব্যবহার হয়। ফেনলের বড় ব্যবহার কাঁচামাল হিসেবে: ব্যাকেলাইট (Bakelite), নাইলনের (nylon) কাঁচামাল, এপক্সি আঠা, অ্যাসপিরিন (aspirin) ও প্যারাসিটামল (paracetamol), পিকরিক এসিড (picric acid)।

ধাপ ৬: ফেনল অম্লীয় কেন

অম্লের শক্তির পাঠে দেখেছ: এসিড যত সহজে H⁺ ছাড়ে, তার pKa তত কম। আর H⁺ ছাড়া কত সহজ, তা নির্ভর করে পড়ে থাকা ঋণাত্মক আয়ন (anion) কতটা স্থিতিশীল তার ওপর। নিজে দুটি অণু থেকে H⁺ সরাও:

দুটি কারণ:

1. অনুরণন (resonance): ফিনক্সাইড আয়নে (phenoxide, $\ce{C6H5O-}$) O-এর ঋণাত্মক চার্জ বলয়ের দুটি অর্থো (ortho) ও একটি প্যারা (para) কার্বনে ছড়িয়ে পড়ে (চারটি অনুরণন কাঠামো)। ইথক্সাইডে (ethoxide) চার্জ একটি O-তেই আটকে থাকে।
2. sp² কার্বন: sp² কার্বন sp³-এর চেয়ে তড়িৎ-ঋণাত্মক (electronegative), তাই O থেকে ইলেকট্রন টানে; আবার ফেনলেও O-এর নিঃসঙ্গ জোড় বলয়ে ঢুকে O–H বন্ধনকে দুর্বল করে।

নিয়মটি সহজ: একটি এসিড কেবল তার চেয়ে দুর্বল এসিডের অনুবন্ধী ক্ষারকের (conjugate base) সঙ্গে বিক্রিয়া করে। ফেনল (9.99) পানির চেয়ে অনেক শক্তিশালী এসিড, তাই OH⁻ তার H⁺ কেড়ে নেয়; কিন্তু H₂CO₃-এর (6.35) চেয়ে দুর্বল, তাই $\ce{HCO3-}$ তা পারে না — ফেনল NaHCO₃-এর সঙ্গে CO₂ দেয় না, কার্বক্সিলিক এসিড দেয়:

একই কারণে ফিনক্সাইড দ্রবণে CO₂ চালালে ফেনল আবার মুক্ত হয়, আর তৈরি হয় NaHCO₃ (Na₂CO₃ নয়): $\ce{C6H5ONa + CO2 + H2O -> C6H5OH + NaHCO3}$।

ফেনল কিন্তু খুব দুর্বল এসিড: 0.10 M দ্রবণের pH মাত্র ≈ 5.5, তাই নীল লিটমাস (litmus) প্রায় বদলায় না — লিটমাস দিয়ে ফেনল চেনা যায় না। বলয়ে ইলেকট্রন-আকর্ষী (electron-withdrawing) –NO₂ বসালে ফিনক্সাইডের চার্জ আরও ছড়ায়, এসিড শক্তিশালী হয়। নিজে বসিয়ে দেখো:

ধাপ ৭: ফেনলের প্রস্তুতি

1. কিউমিন পদ্ধতি (cumene process) — আজকের প্রায় সব ফেনল; সঙ্গে উপজাত (co-product) অ্যাসিটোন: $\ce{C6H6 + CH3CH=CH2 ->[H3PO4][\text{250 °C, 30 atm}] C6H5CH(CH3)2}$ $\ce{C6H5CH(CH3)2 + O2 ->[\text{110–130 °C}] C6H5C(CH3)2OOH ->[H+] C6H5OH + CH3COCH3}$
2. ডাউ পদ্ধতি (Dow process): ক্লোরোবেনজিন + NaOH, প্রায় 350 °C ও 150–300 atm, তারপর HCl: $\ce{C6H5Cl + 2NaOH -> C6H5ONa + NaCl + H2O}, \qquad \ce{C6H5ONa + HCl -> C6H5OH + NaCl}$
3. আলকাতরা (coal tar) থেকে: মধ্যম তেলকে (middle oil, প্রায় 170–230 °C) NaOH দিয়ে ঝাঁকালে ফেনল সোডিয়াম ফিনক্সাইড হয়ে জলীয় স্তরে যায়; পরে লঘু H₂SO₄ বা CO₂ দিয়ে ফেনল মুক্ত করা হয়।
4. পরীক্ষাগারে, অ্যানিলিন (aniline) থেকে: 0–5 °C-এ NaNO₂ + লঘু H₂SO₄ দিয়ে বেনজিন ডায়াজোনিয়াম লবণ, তারপর 50–60 °C-এ পানির সঙ্গে গরম: $\ce{C6H5NH2 + NaNO2 + 2H2SO4 ->[\text{0–5 °C}] C6H5N2+HSO4- + NaHSO4 + 2H2O}$ $\ce{C6H5N2+HSO4- + H2O ->[\text{50–60 °C}] C6H5OH + N2 ^ + H2SO4}$

ধাপ ৮: ফেনলের শনাক্তকারী বিক্রিয়া

–OH বলয়ে ইলেকট্রন ঠেলে দেয়, তাই ফেনলের বলয় বেনজিনের চেয়ে অনেক বেশি সক্রিয় (ইলেকট্রোফিলিক প্রতিস্থাপনের পাঠ)।

1. ফেরিক ক্লোরাইড পরীক্ষা: ফেনলের জলীয় দ্রবণে কয়েক ফোঁটা নিরপেক্ষ FeCl₃ দিলে বেগুনি (violet) রং — Fe³⁺-ফিনক্সাইড জটিল যৌগ। অ্যালকোহল এ রং দেয় না।
2. ব্রোমিন পানি (bromine water): কমলা-হলুদ রং সঙ্গে সঙ্গে চলে যায়, পড়ে সাদা অধঃক্ষেপ — 2,4,6-ট্রাইব্রোমোফেনল (প্রভাবক লাগে না): $\ce{C6H5OH + 3Br2(aq) -> C6H2Br3OH v + 3HBr}$
3. লিবারম্যান নাইট্রোসো পরীক্ষা (Liebermann’s test): ফেনল + NaNO₂ + গাঢ় H₂SO₄ → গাঢ় সবুজ-নীল; পানি দিলে লাল; অতিরিক্ত NaOH দিলে আবার নীল।
4. Zn চূর্ণের সঙ্গে উত্তপ্ত: ফেনল বেনজিনে বিজারিত হয় — বোর্ড প্রশ্নে প্রায়ই রূপান্তরের প্রথম ধাপ: $\ce{C6H5OH + Zn ->[\Delta] C6H6 + ZnO}$।
5. কোলবে–স্মিট বিক্রিয়া (Kolbe–Schmitt): সোডিয়াম ফিনক্সাইড + CO₂ (চাপ, প্রায় 125 °C) → স্যালিসিলিক এসিড → অ্যাসপিরিন (পাঠ ২০)।

ধাপ ৯: এবার নিজে করে দেখো — ফেনল ও গ্লিসারিন ল্যাব

ল্যাবে ছয়টি নমুনা — ফেনল, গ্লিসারিন, ইথানল, গ্লাইকল, বেনজোয়িক এসিড, সাইক্লোহেক্সানল — আর একটি অজানা নমুনা X। চারটি ট্যাব:

• টেস্টটিউব পরীক্ষা: নমুনা বেছে বিকারক দাও। Na-এর H₂ আয়তন আর PCl₅-এর HCl দিয়ে –OH গোনো; প্রতিটি নমুনা ও বিকারকের বিপদ-চিহ্ন (GHS) দেখো।
• অম্ল-ক্ষার: পৃথকী ফানেলে ফেনল আর বেনজোয়িক এসিড আলাদা করো; চারটি যৌগকে অম্লত্ব অনুযায়ী সাজাও।
• সাবান ও গ্লিসারিন: সাবান বানিয়ে গ্লিসারিন আলাদা করো।
• ফেনল তৈরি: প্রতিটি চুল্লিতে ঠিক বিকারক বেছে কিউমিন পদ্ধতি আর ডায়াজোনিয়াম পথে ফেনল বানাও।

সব পর্যবেক্ষণ খাতায় নিজে থেকে উঠবে; চ্যালেঞ্জগুলো শেষ করো।

ঘরে বসে পরীক্ষা: সাবান, খর পানি আর গ্লিসারিন

সাবান বানাতে লাই (NaOH) লাগে, যা বাসায় বিপজ্জনক — তাই সেটি নয়। বরং তৈরি সাবান আর ফার্মেসির গ্লিসারিন দিয়ে দুটি নিরাপদ পরীক্ষা:

1. খর ও মৃদু পানি (hard & soft water): দুটি স্বচ্ছ বোতলে সমান পানি নাও — একটিতে কলের বা টিউবওয়েলের পানি, অন্যটিতে বৃষ্টির পানি বা ফোটানো-ঠান্ডা পানি। প্রতিটিতে সাবানের সমান ছোট্ট এক টুকরো কুচি দিয়ে 20 বার ঝাঁকাও। কোনটিতে ফেনা বেশি, কোনটিতে সাদা ময়লা (scum)? খর পানির Ca²⁺ ও Mg²⁺ সাবানের ফ্যাটি এসিড আয়নের সঙ্গে অদ্রবণীয় লবণ বানায় — সেটিই ময়লা।
2. গ্লিসারিন পানি টানে: একটি শুকনো প্লেটে এক ফোঁটা গ্লিসারিন আর পাশে এক ফোঁটা পানি রাখো। পানি কয়েক ঘণ্টায় শুকিয়ে যায়; গ্লিসারিনের ফোঁটা কয়েক দিন পরও ভেজা থাকে, এমনকি একটু বড় হয় — বাতাস থেকে জলীয় বাষ্প টানছে (hygroscopic)।

পরীক্ষার প্রস্তুতি