পর্যায় সারণির গ্রুপ-৩ এর অন্তর্গত ৬ষ্ঠ পর্যায়ের ল্যান্থানাইড সারির ল্যান্থানাম ($\text{La}$) থেকে লিউটেসিয়াম ($\text{Lu}$) পর্যন্ত ১৫টি মৌল এবং স্ক্যান্ডিয়াম ($\text{Sc}$) ও ইট্রিয়াম ($\text{Y}$)— এই মোট ১৭টি মৌলকে একত্রে বিরল মৃত্তিকা মৌল (Rare Earth Elements) বলে।
খ) $\text{NH}_3$ একটি লিগ্যান্ড— ব্যাখ্যা করো।
জটিল যৌগ গঠনকালে যে সমস্ত অণু বা আয়ন কেন্দ্রীয় ধাতব পরমাণু বা আয়নকে এক বা একাধিক মুক্তজোড় ইলেকট্রন দান করে সন্নিবেশ সমযোজী বন্ধন গঠন করতে পারে, তাদেরকে লিগ্যান্ড বলে।
অ্যামোনিয়া ($\text{NH}_3$) অণুর কেন্দ্রীয় নাইট্রোজেন পরমাণুর যোজনী স্তরের ইলেকট্রন বিন্যাস লক্ষ্য করলে দেখা যায়, এর পাঁচটি ইলেকট্রনের মধ্যে তিনটি ইলেকট্রন তিনটি হাইড্রোজেন পরমাণুর সাথে সমযোজী বন্ধন গঠন করে। ফলে যোজনী স্তরে একজোড়া অসংকরিত অবন্ধনযুক্ত মুক্তজোড় ইলেকট্রন ($\text{Lone Pair Electrons}$) থেকে যায়। জটিল যৌগ গঠনকালে অ্যামোনিয়া অণু তার এই মুক্তজোড় ইলেকট্রনটি অবস্থান্তর ধাতুর খালি ডি-অরবিটালে সহজে দান করে সুস্থিত সন্নিবেশ বন্ধন তৈরি করতে পারে। ইলেকট্রন জোড় দাতার এই অনন্য বৈশিষ্ট্যের কারণেই $\text{NH}_3$ একটি লিগ্যান্ড।
গ) উদ্দীপক (i) এ উল্লিখিত মৌলটির ক্লোরাইড যৌগের আর্দ্র বিশ্লেষণের কৌশল ব্যাখ্যা করো।
উদ্দীপকের (i) নং তথ্যানুযায়ী, পর্যায় সারণির ৩য় পর্যায়ের ১৪ (বা IVA) গ্রুপের মৌলটি হলো সিলিকন ($\text{Si}$, পারমাণবিক সংখ্যা = ১৪)। সিলিকনের ক্লোরাইড যৌগটি হলো সিলিকন টেট্রাক্লোরাইড ($\text{SiCl}_4$)।
সিলিকন টেট্রাক্লোরাইড ($\text{SiCl}_4$) পানির সংস্পর্শে এলে অত্যন্ত দ্রুত আর্দ্রবিশ্লেষিত হয়ে সিলিসিক অ্যাসিড [$\text{Si(OH)}_4$] এবং হাইড্রোক্লোরিক অ্যাসিড ($\text{HCl}$) উৎপন্ন করে। নিচে এর সুনির্দিষ্ট আণবিক মেকানিজম ও কৌশল পুঙ্খানুপুঙ্খ ব্যাখ্যা করা হলো:
১. খালি ডি-অরবিটালের ভূমিকা (সক্রিয়ণ অবস্থা):
সিলিকনের যোজনী স্তরের ইলেকট্রন বিন্যাস: $_{14}\text{Si} \rightarrow 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^2 3d^0$
সিলিকন ৩য় পর্যায়ের মৌল হওয়ায় এর যোজনী শেলের $3p$ অরবিটালের পাশে ফাঁকা $3d$ অরবিটাল বিদ্যমান থাকে। আর্দ্রবিশ্লেষণ প্রক্রিয়ার শুরুতে পানির অণুর ($\text{H}_2\text{O}$) অক্সিজেন পরমাণু তার তীব্র মুক্তজোড় ইলেকট্রন সিলিকনের এই ফাঁকা $3d$ অরবিটালে দান করে একটি অস্থায়ী অন্তর্বর্তীকালীন জটিল যৌগ বা সন্নিবেশ বন্ধন তৈরি করে।
২. আর্দ্রবিশ্লেষণের ধাপভিত্তিক মেকানিজম:
* প্রথম ধাপ: পানির অক্সিজেনের মুক্তজোড় $\text{Si}$ এর খালি $3d$ অরবিটালে যুক্ত হওয়ার সাথে সাথে $\text{Si}-\text{Cl}$ বন্ধনটি দুর্বল হয়ে ভেঙে যায় এবং ১ অণু $\text{HCl}$ অপসারিত হয়। এর ফলে একটি ক্লোরিন পরমাণু একটি হাইড্রোক্সিল ($-\text{OH}$) গ্রুপ দ্বারা প্রতিস্থাপিত হয়।
$$\text{SiCl}_4 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{SiCl}_3(\text{OH}) + \text{HCl}$$
* পরবর্তী ধাপসমূহ: সিলিকন পরমাণুটি আকারে বড় হওয়ায় এর চারপাশের ফাঁকা স্থানে আরও পানির অণু আক্রমণ করার সুযোগ পায়। একইভাবে পর্যায়ক্রমে আরও তিনটি পানির অণু অবশিষ্ট তিনটি $\text{Si}-\text{Cl}$ বন্ধনে আক্রমণ করে এবং আরও ৩ অণু $\text{HCl}$ অপসারিত করে।
$$\text{SiCl}_3(\text{OH}) + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{SiCl}_2(\text{OH})_2 + \text{HCl}$$
$$\text{SiCl}_2(\text{OH})_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{SiCl}(\text{OH})_3 + \text{HCl}$$
$$\text{SiCl}(\text{OH})_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Si}(\text{OH})_4 + \text{HCl}$$
উত্তর: সিলিকনের ফাঁকা $3d$ অরবিটালে পানির মুক্তজোড় ইলেকট্রনের সমন্বিত নিউক্লিওফিলিক আক্রমণের কারণেই মূলত $\text{SiCl}_4$ এর আর্দ্রবিশ্লেষণ সুচারুরূপে সম্পন্ন হয়।
উদ্দীপকের (ii) নং ক্যাটায়ন বা মৌলসমূহের ইলেকট্রন বিন্যাস হতে সর্বাগ্রে তাদের প্রকৃত নাম ও পর্যায় সারণির অবস্থান শনাক্ত করি:
* $\text{A} \rightarrow 1s^2 2s^2 2p^6 3s^1 \Rightarrow$ পারমাণবিক সংখ্যা ১১, মৌলটি হলো সোডিয়াম ($\text{Na}$)
* $\text{B} \rightarrow 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 \Rightarrow$ পারমাণবিক সংখ্যা ১২, মৌলটি হলো ম্যাগনেসিয়াম ($\text{Mg}$)
* $\text{C} \rightarrow 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^1 \Rightarrow$ পারমাণবিক সংখ্যা ১৩, মৌলটি হলো অ্যালুমিনিয়াম ($\text{Al}$)
এই মৌল তিনটির ক্লোরাইড যৌগসমূহ হলো যথাক্রমে সোডিয়াম ক্লোরাইড ($\text{NaCl}$), ম্যাগনেসিয়াম ক্লোরাইড ($\text{MgCl}_2$) এবং অ্যালুমিনিয়াম ক্লোরাইড ($\text{AlCl}_3$)।
কোনো আয়নীয় যৌগের গলনাঙ্ক প্রধানত তার স্ফটিক জালির সুস্থিতি এবং যৌগের মধ্যে বিদ্যমান সমযোজী বৈশিষ্ট্যের মাত্রার (পোলারন) ওপর নির্ভর করে। ফাজানের পোলারন নীতি (Fajans' Rules) অনুযায়ী ক্যাটায়নের পোলারন ক্ষমতা যত বেশি হবে, আয়নীয় যৌগে সমযোজী বৈশিষ্ট্য তত বাড়বে এবং বন্ধন দুর্বল হওয়ার কারণে তার গলনাঙ্ক তত হ্রাস পাবে।
নিচে ফাজানের সূত্রের আলোকে যৌগগুলোর গলনাঙ্কের ক্রমান্বয় কারণসহ নিখুঁতভাবে বিশ্লেষণ করা হলো:
১. ক্যাটায়নের চার্জের প্রভাব:
যৌগ তিনটিতে উপস্থিত ক্যাটায়নসমূহ হলো যথাক্রমে $\text{Na}^+$, $\text{Mg}^{2+}$ এবং $\text{Al}^{3+}$। এদের প্রত্যেকের অ্যানায়ন অবিকল এক ($\text{Cl}^-$)। ফাজানের নীতি অনুযায়ী, ক্যাটায়নের ধনাত্মক চার্জ যত বৃদ্ধি পায়, অ্যানায়নের ইলেকট্রন মেঘকে বিকৃত বা পোলারিত করার ক্ষমতা তত তীব্র হয়। এখানে চার্জের ক্রম:
$$\text{Na}^+ < \text{Mg}^{2+} < \text{Al}^{3+}$$
২. ক্যাটায়নের আকার ও চার্জ ঘনত্ব:
উদ্দীপকের ক্যাটায়ন তিনটি সম-ইলেকট্রন বিশিষ্ট (Isoelectronic), অর্থাৎ প্রত্যেকেরই ইলেকট্রন সংখ্যা ১০। কিন্তু নিউক্লিয়াসের প্রোটন সংখ্যা যথাক্রমে ১১, ১২ এবং ১৩। নিউক্লিয়ার চার্জ ক্রমান্বয়ে বৃদ্ধির কারণে ক্যাটায়নসমূহের ব্যাসার্ধ বা আকারের ক্রম হয়: $\text{Na}^+ > \text{Mg}^{2+} > \text{Al}^{3+}$।
আকার ক্ষুদ্র এবং চার্জ উচ্চ হওয়ায় $\text{Al}^{3+}$ আয়নের পৃষ্ঠতলের চার্জ ঘনত্ব সর্বোচ্চ। ফলে এর পোলারন ক্ষমতা অসাধারণভাবে বৃদ্ধি পায়।
৩. সমযোজী বৈশিষ্ট্যের রূপান্তর ও গলনাঙ্কের বাস্তব তুলনা:
* $\text{NaCl}$: $\text{Na}^+$ এর চার্জ কম এবং আকার বড় হওয়ায় এর পোলারন ক্ষমতা অত্যন্ত নগণ্য। ফলে $\text{NaCl}$ একটি খাঁটি আয়নীয় যৌগ হিসেবে শক্তিশালী স্থিরবৈদ্যুতিক আকর্ষণে আবদ্ধ থাকে এবং এর গলনাঙ্ক সর্বোচ্চ $801^\circ\text{C}$ হয়।
* $\text{MgCl}_2$: $\text{Mg}^{2+}$ এর চার্জ ও আকার মাঝারি হওয়ায় এতে আয়নীয় ধর্মের পাশাপাশি কিছুটা সমযোজী ধর্মের আবির্ভাব ঘটে। ফলে এর গলনাঙ্ক সামান্য হ্রাস পেয়ে $714^\circ\text{C}$ হয়।
* $\text{AlCl}_3$: $\text{Al}^{3+}$ এর অত্যধিক চার্জ ঘনত্ব ক্লোরাইড আয়নের ইলেকট্রন মেঘকে তীব্রভাবে নিজের দিকে টেনে নেয়। এই উচ্চ পোলারনের কারণে $\text{AlCl}_3$ যৌগে সমযোজী বৈশিষ্ট্য প্রকটভাবে প্রকাশ পায়। সমযোজী যৌগসমূহ দুর্বল ভ্যানডার ওয়ালস বলে যুক্ত থাকায় এর গলনাঙ্ক নাটকীয়ভাবে হ্রাস পেয়ে মাত্র $192^\circ\text{C}$ (উচ্চ চাপে) হয় এবং সাধারণ চাপে এটি সরাসরি ঊর্ধ্বপাতিত হয়।
লবণসমূহের গলনাঙ্কের চূড়ান্ত ক্রম:
পোলারন ক্ষমতা বা সমযোজী বৈশিষ্ট্যের ক্রম: $\text{NaCl} < \text{MgCl}_2 < \text{AlCl}_3$
সুতরাং, গলনাঙ্কের সঠিক নিম্নক্রম হবে: $\text{NaCl} > \text{MgCl}_2 > \text{AlCl}_3$ অর্থাৎ $\text{ACl} > \text{BCl}_2 > \text{CCl}_3$।
<\div style="\text-align: center; margin: 20px 0;">
গাণিতিক সিদ্ধান্ত: ফাজানের নীতি ও ক্যাটায়নের চার্জ ঘনত্বের সুনির্দিষ্ট পরিবর্তনের ওপর ভিত্তি করে উদ্দীপকের যৌগগুলোর গলনাঙ্কের চূড়ান্ত ক্রমটি দাঁড়ায় $\text{ACl} > \text{BCl}_2 > \text{CCl}_3$।