ক) অরবিটাল কাকে বলে?
পরমাণুর নিউক্লিয়াসের চারদিকে যে ত্রিমাত্রিক অঞ্চলে ইলেকট্রন পাওয়ার সম্ভাবনা সর্বাধিক (প্রায় $90\%-95\%$), তাকে অরবিটাল বলা হয়।
খ) বদ্ধ পাত্রের রাসায়নিক সাম্যাবস্থা সংঘটিত হয়— ব্যাখ্যা করো।
উভমুখী বিক্রিয়ার সাম্যাবস্থা অর্জনের প্রধান শর্ত হলো বিক্রিয়ক ও উৎপাদ কোনোটিই যেন সিস্টেম বা বিক্রিয়া পাত্র থেকে বের হয়ে যেতে না পারে। খোলা পাত্রে বিক্রিয়া ঘটালে যদি কোনো উৎপাদ গ্যাসীয় হয়, তবে তা পাত্র থেকে বের হয়ে বায়ুমণ্ডলে চলে যায়। ফলে পশ্চাৎমুখী বিক্রিয়া ঘটার জন্য প্রয়োজনীয় উৎপাদ পাত্রে অবশিষ্ট থাকে না এবং বিক্রিয়াটি একমুখী হয়ে পড়ে। কিন্তু বদ্ধ পাত্রে বিক্রিয়া ঘটালে গ্যাসীয় বা উদ্বায়ী উৎপাদসমূহ পাত্রের ভেতরেই আবদ্ধ থাকে। এর ফলে উৎপাদসমূহ পরস্পরের সাথে পুনরায় বিক্রিয়া করে বিপরীতমুখী বা পশ্চাৎমুখী বিক্রিয়ার মাধ্যমে সাম্যাবস্থা তৈরি করতে পারে। এই কারণেই রাসায়নিক সাম্যাবস্থা কেবল বদ্ধ পাত্রেই সংঘটিত হয়।
গ) উদ্দীপকের 'R' মৌলটি can গঠন করতে পারে— ব্যাখ্যা করো।
উদ্দীপকের পর্যায় সারণিটি বিশ্লেষণ করলে দেখা যায়:
১ম পর্যায়ের গ্রুপ ১ এর মৌল $Q$ হলো হাইড্রোজেন ($H$)
২য় পর্যায়ের গ্রুপ ১৫ এর মৌল $P$ হলো নাইট্রোজেন ($N$)
৩য় পর্যায়ের গ্রুপ ১৬ এর মৌল $R$ হলো সালফার ($S$)
প্রশ্নানুসারে 'can গঠন করতে পারে' বলতে মূলত সালফার ($R$) মৌলটির **ক্যাটিনেশন (Catenation)** ধর্ম বা নিজের অসংখ্য পরমাণুর সাথে যুক্ত হয়ে দীর্ঘ শিকল বা বলয় (যেমন: $S_8$ বা $S_n$ can/শিকল) গঠন করার ক্ষমতাকে নির্দেশ করা হয়েছে। নিচে সালফারের ক্যাটিনেশন ধর্ম সৃষ্টির মূল কারণসমূহ বোর ও অরবিটাল তত্ত্বের আলোকে ব্যাখ্যা করা হলো:
১. **বন্ধন শক্তি এবং পরমাণুর আকার:**
সালফার পরমাণুর আকার তুলনামূলকভাবে মাঝারি এবং এর একক বন্ধন শক্তি ($S-S$ বন্ধন শক্তি প্রায় $264\text{ kJ mol}^{-1}$) বেশ উচ্চ ও সুস্থিত। এই উচ্চ বন্ধন শক্তির কারণে একটি সালফার পরমাণু অন্য সালফার পরমাণুর সাথে একক সমযোজী বন্ধন দ্বারা যুক্ত হয়ে দীর্ঘ পরমাণুর শিকল বা বলয় তৈরি করলেও তা সহজে ভেঙে যায় না।
২. **মুক্তজোড় ইলেকট্রনের বিকর্ষণ হ্রাস:**
সালফারের যোজনী স্তরের ইলেকট্রন বিন্যাস হলো $3s^2\ 3p^4$। এর বহিঃস্থ স্তরে দুটি মুক্তজোড় ইলেকট্রন থাকে। সালফারের আকার অক্সিজেন অপেক্ষা বড় হওয়ায় পরমাণুদ্বয় যখন $S-S$ একক বন্ধন গঠন করে, তখন তাদের নিউক্লিয়াসের মধ্যকার দূরত্ব বেশি থাকে। দূরত্ব বেশি থাকার কারণে দুটি সালফার পরমাণুর মুক্তজোড় ইলেকট্রনগুলোর মধ্যকার পারস্পরিক বিকর্ষণ বল অনেক কম হয়। ফলে গঠিত $S-S$ বন্ধনটি অত্যন্ত দৃঢ় ও স্থায়ী রূপ লাভ করে।
৩. **বলয় গঠন প্রকৃতি ($S_8$):**
এই ক্যাটিনেশন ক্ষমতার কারণে সাধারণ তাপমাত্রায় সালফার আটটি পরমাণু পরস্পরের সাথে যুক্ত হয়ে একটি মুকুটের মতো আকৃতির (Crown shape) বলয় গঠন করে $S_8$ অণু হিসেবে অবস্থান করে।
নিচে সালফারের $S_8$ অণুর ক্যাটিনেশন ও বলয় গঠনের ত্রিমাত্রিক 'ক্রাউন' বা মুকুট আকৃতির দৃশ্যপট দেখানো হলো:
এই সুনির্দিষ্ট আণবিক একক বন্ধন গঠনের স্থায়িত্বের কারণেই উদ্দীপকের $R$ বা সালফার মৌলটি ক্যাটিনেশন বা দীর্ঘ শিকল বিশিষ্ট ক্যান ($S_n$) কাঠামো গঠন করতে অত্যন্ত পারদর্শী।
ঘ) $PQ_4^+$ ও $Q_2R$ এর বন্ধন কোণ একই হবে কিনা? বিশ্লেষণ করো।
উদ্দীপকের সংকেতদ্বয় বিশ্লেষণ করলে জানা যায়:
$PQ_4^+$ যৌগটি হলো অ্যামোনিয়াম আয়ন ($NH_4^+$)
$Q_2R$ যৌগটি হলো হাইড্রোজেন সালফাইড ($H_2S$)
উভয় যৌগের কেন্দ্রীয় পরমাণুর সংকরায়ন একই ($sp^3$) হওয়া সত্ত্বেও তাদের চূড়ান্ত জ্যামিতিক আকৃতি এবং বন্ধন কোণের মান এক হবে না; এদের মধ্যে ব্যাপক ভিন্নতা দেখা যাবে। নিচে এর কারণ সংকরায়ন এবং VSEPR (যোজনী স্তর ইলেকট্রন জোড় বিকর্ষণ) তত্ত্বের আলোকে গাণিতিক ও যৌক্তিকভাবে বিশ্লেষণ করা হলো:
১. **$PQ_4^+$ বা $NH_4^+$ আয়নের বন্ধন কোণ বিশ্লেষণ:**
অ্যামোনিয়াম আয়নের কেন্দ্রীয় পরমাণু নাইট্রোজেনের যোজনী স্তরের ইলেকট্রন বিন্যাস হলো $2s^2\ 2p^3$। $NH_4^+$ আয়ন গঠনের সময় নাইট্রোজেন পরমাণু একটি $s$ ও তিনটি $p$ অরবিটালের মিশ্রণে $sp^3$ সংকরায়ন সম্পন্ন করে। এর ফলে চারটি সমশক্তিসম্পন্ন সংকর অরবিটাল তৈরি হয়। নাইট্রোজেনের ৪টি সংকর অরবিটালের ৪টি ইলেকট্রন এবং হাইড্রোজেন পরমাণুসমূহের ইলেকট্রন মিলে মোট ৪টি বন্ধন জোড় (Bond Pair) ইলেকট্রন তৈরি করে। অর্থাৎ, এখানে মুক্তজোড় (Lone Pair) ইলেকট্রন সংখ্যা শূন্য ($LP = 0$)। VSEPR তত্ত্বানুযায়ী, যেহেতু কোনো মুক্তজোড় ইলেকট্রন নেই, তাই বন্ধন জোড়গুলোর মধ্যে সুষম বিকর্ষণ ঘটে। ফলে আয়নটির আকৃতি হয় নিখুঁত সুষম চতুস্তলকীয় (Tetrahedral) এবং এর বন্ধন কোণ হয় আদর্শ $sp^3$ কোণ অর্থাৎ **$109.5^\circ$**।
২. **$Q_2R$ বা $H_2S$ এর বন্ধন কোণ বিশ্লেষণ:**
$H_2S$ এর কেন্দ্রীয় পরমাণু সালফারের যোজনী স্তরের ইলেকট্রন বিন্যাস হলো $3s^2\ 3p^4$। এখানেও সালফার পরমাণুটি $sp^3$ সংকরায়নে অংশগ্রহণ করে ৪টি সংকর অরবিটাল তৈরি করে। কিন্তু এই ৪টি অরবিটালের মধ্যে ২টিতে দুটি করে মোট ৪টি ইলেকট্রন জোড়াবদ্ধ বা মুক্তজোড় ($LP = 2$) হিসেবে থাকে এবং বাকি ২টি অরবিটালে ১টি করে ইলেকট্রন দুটি হাইড্রোজেন পরমাণুর সাথে শেয়ারের মাধ্যমে ২টি বন্ধন জোড় ($BP = 2$) গঠন করে। VSEPR তত্ত্ব অনুসারে, ইলেকট্রন জোড়গুলোর বিকর্ষণ ক্ষমতার ক্রম হলো:
$$\text{Lone Pair - Lone Pair (LP-LP)} > \text{Lone Pair - Bond Pair (LP-BP)} > \text{Bond Pair - Bond Pair (BP-BP)}$$
দুটি শক্তিশালী মুক্তজোড় ইলেকট্রনের তীব্র বিকর্ষণের কারণে $S-H$ বন্ধন দুটি ভেতরের দিকে সংকুচিত হয়ে আসে। ফলে এর আকৃতি চতুস্তলকীয় না হয়ে উল্টো 'V' আকৃতির বা কৌণিক হয়। আদর্শ কোণ $109.5^\circ$ থেকে বন্ধন কোণ মারাত্মকভাবে হ্রাস পেয়ে মাত্র **$92.1^\circ$** এ নেমে আসে। (এখানে সালফারের আকার বড় এবং তড়িৎ ঋণাত্মকতা কম হওয়ায় বন্ধন জোড়গুলো সালফারের নিউক্লিয়াস থেকে দূরে থাকে, যা বন্ধন কোণকে আরও ছোট করতে ভূমিকা রাখে)।
৩. **তুলনামূলক জ্যামিতিক রেখাচিত্র:**
৪. **উপসংহার:**
$NH_4^+$ আয়নে কোনো মুক্তজোড় ইলেকট্রন না থাকায় এটি সুষম চতুস্তলকীয় গঠনে $109.5^\circ$ কোণ প্রদর্শন করে। অন্যদিকে $H_2S$ অণুতে দুটি মুক্তজোড় ইলেকট্রনের তীব্র বিকর্ষণের কারণে এর কোণ সংকুচিত হয়ে $92.1^\circ$ হয়।
সুতরাং, কাঠামোগত জ্যামিতিক বিশ্লেষণের সাপেক্ষে দৃঢ়ভাবে প্রমাণিত হয় যে $PQ_4^+$ ও $Q_2R$ এর বন্ধন কোণ কখনো একই হবে না।