কার্বনের রসায়ন: অনুশীলন প্রশ্ন
বহুনির্বাচনী প্রশ্ন (MCQs)
প্রশ্ন ১
কার্বনের অ্যালোট্রোপগুলি সম্পর্কে নিম্নলিখিত কোন বিবৃতিটি ভুল?
A) হীরার একটি 3D নেটওয়ার্ক কাঠামো রয়েছে যেখানে sp³ সংকরিত কার্বন পরমাণু থাকে। B) গ্রাফাইটের একটি স্তরযুক্ত কাঠামো রয়েছে যেখানে sp² সংকরিত কার্বন পরমাণু থাকে। C) ফুলারিনগুলি কার্বন পরমাণুর পঞ্চভুজাকার এবং ষড়ভুজাকার রিং সহ খাঁচার মতো অণু। D) কার্বন ন্যানোটিউবগুলি গ্রাফিন শীটগুলিকে রোল করে গঠিত 2D কাঠামো।
সমাধান ১
সঠিক উত্তর: D
ব্যাখ্যা: কার্বন ন্যানোটিউবগুলি গ্রাফিন-এর একক বা একাধিক শীটকে রোল করে গঠিত এক-মাত্রিক (1D) নলাকার কাঠামো। গ্রাফিন নিজে একটি 2D উপাদান, কিন্তু এটি থেকে প্রাপ্ত ন্যানোটিউবগুলি তাদের অক্ষ বরাবর সহজাতভাবে 1D। অন্যান্য বিবৃতিগুলি (A, B, C) যথাক্রমে হীরা, গ্রাফাইট এবং ফুলারিনের কাঠামোকে সঠিকভাবে বর্ণনা করে।
প্রশ্ন ২
কার্বন মনোক্সাইড (CO) এর জন্য নিম্নলিখিত কোনটি সত্য?
A) এটি একটি অম্লীয় অক্সাইড। B) এটি একটি শক্তিশালী জারক পদার্থ। C) হিমোগ্লোবিনের প্রতি এর আসক্তির কারণে এটি অত্যন্ত বিষাক্ত। D) এটি আর্দ্র নীল লিটমাসকে লাল করে।
সমাধান ২
সঠিক উত্তর: C
ব্যাখ্যা: কার্বন মনোক্সাইড (CO) একটি অত্যন্ত বিষাক্ত গ্যাস। এটি লোহিত রক্তকণিকার হিমোগ্লোবিনের আয়রনের সাথে অক্সিজেনের চেয়ে প্রায় 200-250 গুণ বেশি দৃঢ়ভাবে আবদ্ধ হয়, কার্বক্সীহিমোগ্লোবিন গঠন করে। এই স্থিতিশীল যৌগ রক্তের অক্সিজেন বহন ক্ষমতা হ্রাস করে, যা টিস্যুতে অক্সিজেনের অভাব ঘটায় এবং সম্ভাব্য মৃত্যু পর্যন্ত হতে পারে।
- CO একটি নিরপেক্ষ অক্সাইড, অম্লীয় নয় (A ভুল)।
- CO একটি শক্তিশালী বিজারক পদার্থ, জারক নয় (B ভুল)।
- একটি নিরপেক্ষ অক্সাইড হওয়ায় এটি লিটমাস কাগজের রঙ পরিবর্তন করে না (D ভুল)।
প্রশ্ন ৩
ক্যালসিয়াম (Ca) বা অ্যালুমিনিয়াম (Al)-এর মতো উচ্চ তড়িৎ ধনাত্মক মৌলগুলির সাথে কার্বন বিক্রিয়া করলে সাধারণত কোন ধরনের কার্বাইড গঠিত হয়?
A) সমযোজী কার্বাইড B) অন্তর্বর্তী কার্বাইড C) আয়নিক কার্বাইড D) পলিমারিক কার্বাইড
সমাধান ৩
সঠিক উত্তর: C
ব্যাখ্যা: উচ্চ তড়িৎ ধনাত্মক মৌলগুলি, বিশেষ করে গ্রুপ ১ (ক্ষার ধাতু), গ্রুপ ২ (ক্ষারীয় মৃত্তিকা ধাতু) এবং গ্রুপ ১৩ (যেমন অ্যালুমিনিয়াম) থেকে, আয়নিক কার্বাইড গঠন করে। এই কার্বাইডগুলিতে বিচ্ছিন্ন কার্বাইড অ্যানায়ন যেমন C₂²⁻ (অ্যাসিটাইলাইড আয়ন, উদাহরণস্বরূপ, CaC₂) বা C⁴⁻ (মিথানাইড আয়ন, উদাহরণস্বরূপ, Al₄C₃) থাকে। আর্দ্রবিশ্লেষণের পর, অ্যাসিটাইলাইডগুলি অ্যাসিটিলিন এবং মিথানাইডগুলি মিথেন উৎপন্ন করে।
- সমযোজী কার্বাইড (যেমন, SiC, B₄C) একই রকম তড়িৎ ঋণাত্মকতার মৌলগুলির সাথে গঠিত হয়।
- অন্তর্বর্তী কার্বাইড (যেমন, Fe₃C, WC) অবস্থান্তর ধাতুগুলির সাথে গঠিত হয় যেখানে কার্বন পরমাণুগুলি ধাতব জালিকার অন্তর্বর্তী স্থানে থাকে।
দাবি-কারণ প্রশ্ন
প্রশ্ন ১
দাবি (A): গ্রাফাইট বিদ্যুতের সুপরিবাহী, যেখানে হীরা একটি তড়িৎ অন্তরক। কারণ (R): গ্রাফাইটে, প্রতিটি কার্বন পরমাণু sp² সংকরিত এবং একটি যোজ্যতা ইলেকট্রন স্থানচ্যুত হয়ে একটি সচল ইলেকট্রন মেঘ তৈরি করে। হীরার ক্ষেত্রে, প্রতিটি কার্বন পরমাণু sp³ সংকরিত এবং সমস্ত যোজ্যতা ইলেকট্রন সিগমা বন্ধনে জড়িত।
A) A এবং R উভয়ই সত্য, এবং R হল A এর সঠিক ব্যাখ্যা। B) A এবং R উভয়ই সত্য, কিন্তু R হল A এর সঠিক ব্যাখ্যা নয়। C) A সত্য, কিন্তু R মিথ্যা। D) A মিথ্যা, কিন্তু R সত্য। E) A এবং R উভয়ই মিথ্যা।
সমাধান ১
সঠিক উত্তর: A
ব্যাখ্যা: দাবি (A) সত্য। গ্রাফাইটের স্তরযুক্ত কাঠামো এটিকে বিদ্যুৎ পরিবাহিত করতে দেয়, যেখানে হীরার দৃঢ় সমযোজী নেটওয়ার্ক এটিকে একটি অন্তরক করে তোলে। কারণ (R)-ও সত্য এবং দাবির সঠিক ব্যাখ্যা প্রদান করে। গ্রাফাইটে, প্রতিটি কার্বন পরমাণু sp² সংকরিত এবং একই সমতলে অন্য তিনটি কার্বন পরমাণুর সাথে আবদ্ধ থাকে, যার ফলে স্তরগুলির সাথে লম্বভাবে একটি অসংকরিত p-অরবিটাল অবশিষ্ট থাকে। এই p-অরবিটালগুলি একত্রিত হয়ে একটি স্থানচ্যুত ইলেকট্রন মেঘ গঠন করে, যা ইলেকট্রনগুলিকে অবাধে চলাচল করতে দেয়, এইভাবে গ্রাফাইটকে একটি ভালো পরিবাহী করে তোলে। হীরার ক্ষেত্রে, প্রতিটি কার্বন পরমাণু sp³ সংকরিত এবং একটি চতুস্তলীয় সজ্জায় অন্য চারটি কার্বন পরমাণুর সাথে আবদ্ধ থাকে। সমস্ত যোজ্যতা ইলেকট্রনগুলি দৃঢ় সিগমা বন্ধনে শক্তভাবে ধরে থাকে, পরিবাহিতার জন্য কোনও মুক্ত ইলেকট্রন উপলব্ধ থাকে না, তাই এটি একটি অন্তরক হিসাবে কাজ করে।
প্রশ্ন ২
দাবি (A): কার্বন মনোক্সাইড অত্যন্ত বিষাক্ত। কারণ (R): কার্বন মনোক্সাইড হিমোগ্লোবিনের সাথে একটি স্থিতিশীল যৌগ গঠন করে, যাকে কার্বক্সীহিমোগ্লোবিন বলা হয়, যা অক্সিহিমোগ্লোবিনের চেয়ে প্রায় 200-250 গুণ বেশি স্থিতিশীল।
A) A এবং R উভয়ই সত্য, এবং R হল A এর সঠিক ব্যাখ্যা। B) A এবং R উভয়ই সত্য, কিন্তু R হল A এর সঠিক ব্যাখ্যা নয়। C) A সত্য, কিন্তু R মিথ্যা। D) A মিথ্যা, কিন্তু R সত্য। E) A এবং R উভয়ই মিথ্যা।
সমাধান ২
সঠিক উত্তর: A
ব্যাখ্যা: দাবি (A) সত্য। কার্বন মনোক্সাইড সত্যিই একটি অত্যন্ত বিষাক্ত গ্যাস। কারণ (R)-ও সত্য এবং এর বিষাক্ততার সঠিক ব্যাখ্যা প্রদান করে। অক্সিজেনের চেয়ে হিমোগ্লোবিনের হেম আয়রনের প্রতি CO-এর অনেক বেশি আসক্তি রয়েছে। যখন CO হিমোগ্লোবিনের সাথে আবদ্ধ হয়, তখন এটি কার্বক্সীহিমোগ্লোবিন গঠন করে, যা অক্সিহিমোগ্লোবিনের চেয়ে উল্লেখযোগ্যভাবে বেশি স্থিতিশীল। এটি হিমোগ্লোবিনকে শরীরের টিস্যুতে অক্সিজেন পরিবহনে বাধা দেয়, যার ফলে কোষীয় হাইপোক্সিয়া এবং সম্ভাব্য মৃত্যু ঘটে।
সংক্ষিপ্ত উত্তর প্রশ্ন
প্রশ্ন ১
ব্যাখ্যা করুন কেন কার্বন গ্রুপ 14 মৌলগুলির মধ্যে ক্যাটেনেশনের সর্বোচ্চ প্রবণতা প্রদর্শন করে।
আদর্শ উত্তর ১
ক্যাটেনেশন হল একটি মৌলের নিজের পরমাণুর সাথে বন্ধন তৈরি করে দীর্ঘ শৃঙ্খল বা রিং গঠনের ক্ষমতা। নিম্নলিখিত কারণগুলির জন্য কার্বন ক্যাটেনেশনের সর্বোচ্চ প্রবণতা প্রদর্শন করে:
- ছোট আকার: কার্বন পরমাণু তুলনামূলকভাবে ছোট, যা তাদের অন্যান্য কার্বন পরমাণুর সাথে উল্লেখযোগ্য স্থায়িত্বের বিকর্ষণ ছাড়াই শক্তিশালী, স্থিতিশীল সমযোজী বন্ধন তৈরি করতে দেয়।
- উচ্চ C-C বন্ধন শক্তি: কার্বন-কার্বন একক বন্ধন (C-C) খুবই শক্তিশালী (বন্ধন শক্তি ≈ 348 kJ/mol), যা শৃঙ্খল এবং রিংগুলিকে স্থিতিশীল করে তোলে। আমরা যখন গ্রুপ 14 (Si, Ge, Sn, Pb) বরাবর নিচে নামি, তখন পারমাণবিক আকার বৃদ্ধি পায় এবং E-E (মৌল-মৌল) বন্ধন শক্তি উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস পায় (যেমন, Si-Si বন্ধন শক্তি ≈ 222 kJ/mol)। এই দুর্বল বন্ধন শক্তি ভারী মৌলগুলির জন্য ক্যাটেনেশনের কাঠামোকে কম স্থিতিশীল করে তোলে।
- একাধিক বন্ধন গঠনের ক্ষমতা: কার্বন নিজের সাথে এবং অন্যান্য মৌলের সাথে স্থিতিশীল একক (C-C), দ্বিবন্ধন (C=C), এবং ত্রিবন্ধন (C≡C) গঠন করতে পারে। এই বহুমুখীতা স্থিতিশীল ক্যাটেনেশন কাঠামো এবং আইসোমারগুলির একটি বিশাল বিন্যাস তৈরি করে। গ্রুপ 14-এর ভারী মৌলগুলি স্থিতিশীল একাধিক বন্ধন গঠনের অনেক কম প্রবণতা দেখায় তাদের বৃহত্তর আকার এবং আরও বিস্তৃত p-অরবিটালের কারণে, যা দুর্বল pπ-pπ ওভারল্যাপের দিকে পরিচালিত করে।
প্রশ্ন ২
কার্বন ডাই অক্সাইড (CO₂) এর গঠন এবং বন্ধন বর্ণনা করুন।
আদর্শ উত্তর ২
কার্বন ডাই অক্সাইড (CO₂) একটি স্বতন্ত্র গঠন এবং বন্ধন সহ একটি সরল আণবিক যৌগ:
- সংকরায়ন: CO₂-তে কেন্দ্রীয় কার্বন পরমাণু sp সংকরিত। এটি দুটি সিগমা (σ) বন্ধন এবং দুটি পাই (π) বন্ধন গঠন করে।
- বন্ধন:
- কার্বন পরমাণু দুটি C=O দ্বিবন্ধন গঠন করে, প্রতিটি অক্সিজেন পরমাণুর সাথে একটি করে।
- প্রতিটি C=O দ্বিবন্ধন কার্বনের একটি sp সংকর অরবিটালের সাথে অক্সিজেনের একটি p অরবিটালের ওভারল্যাপ দ্বারা গঠিত একটি সিগমা (σ) বন্ধন, এবং কার্বনের একটি অসংকরিত p অরবিটালের সাথে অক্সিজেনের অন্য একটি p অরবিটালের পার্শ্বীয় ওভারল্যাপ দ্বারা গঠিত একটি পাই (π) বন্ধন নিয়ে গঠিত।
- জ্যামিতি: sp সংকরায়নের কারণে, অণুটির রৈখিক জ্যামিতি রয়েছে যার বন্ধন কোণ 180°।
- পোলারত্ব: যদিও কার্বন এবং অক্সিজেনের মধ্যে তড়িৎ ঋণাত্মকতার পার্থক্যের কারণে C=O বন্ধনগুলি পোলার, তবে দুটি C=O ডাইপোল মোমেন্টের রৈখিক প্রতিসম সজ্জা তাদের বাতিল করে দেয়। অতএব, CO₂ অণু সামগ্রিকভাবে অপোলার।
- ভৌত অবস্থা: ঘরের তাপমাত্রা এবং চাপে, CO₂ একটি গ্যাস। এর কঠিন অবস্থায় (শুষ্ক বরফ), এটি দুর্বল আন্তঃআণবিক বল (লন্ডন ডিসপারসন বল) দ্বারা আবদ্ধ একটি আণবিক কঠিন পদার্থ।
উচ্চতর চিন্তন দক্ষতা (HOTS) প্রশ্ন
প্রশ্ন ১
কেন কার্বন ডাই অক্সাইড (CO₂) ঘরের তাপমাত্রায় একটি গ্যাস, যেখানে সিলিকন ডাই অক্সাইড (SiO₂) একটি শক্ত, উচ্চ গলনাঙ্কের কঠিন পদার্থ? তাদের বন্ধন এবং কাঠামোর মৌলিক পার্থক্যগুলি ব্যাখ্যা করুন।
আদর্শ উত্তর ১
ঘরের তাপমাত্রায় CO₂ এবং SiO₂ এর ভৌত অবস্থার মধ্যে তীব্র পার্থক্য (CO₂ একটি গ্যাস, SiO₂ একটি শক্ত কঠিন পদার্থ) তাদের বন্ধন এবং আণবিক কাঠামোর মৌলিক পার্থক্য থেকে উদ্ভূত হয়।
-
কার্বন ডাই অক্সাইড (CO₂):
- গঠন: CO₂ বিচ্ছিন্ন, সরল ত্রিত পরমাণু অণু (O=C=O) হিসাবে বিদ্যমান। কেন্দ্রীয় কার্বন পরমাণু sp সংকরায়নের সাথে দুটি C=O দ্বিবন্ধন গঠন করে, যার ফলে একটি রৈখিক জ্যামিতি তৈরি হয়।
- বন্ধন: প্রতিটি CO₂ অণুর মধ্যে, কার্বন এবং অক্সিজেনের মধ্যে শক্তিশালী সমযোজী বন্ধন বিদ্যমান। তবে, কঠিন বা তরল অবস্থায় স্বতন্ত্র CO₂ অণুগুলি শুধুমাত্র দুর্বল আন্তঃআণবিক বল, বিশেষ করে লন্ডন ডিসপারশন বল (ভ্যান ডার ওয়ালস বল) দ্বারা আবদ্ধ থাকে।
- ফলাফল: এই দুর্বল আন্তঃআণবিক বলগুলি অতিক্রম করতে খুব কম শক্তির প্রয়োজন হয়। তাই, CO₂ এর গলনাঙ্ক খুব কম (-56.6 °C 5.1 atm এ, -78.5 °C 1 atm এ ঊর্ধ্বপাতিত হয়) এবং এটি ঘরের তাপমাত্রায় একটি গ্যাস।
-
সিলিকন ডাই অক্সাইড (SiO₂):
- গঠন: SiO₂ CO₂ এর মতো বিচ্ছিন্ন অণু হিসাবে বিদ্যমান নয়। পরিবর্তে, এটি একটি বিশাল সমযোজী নেটওয়ার্ক কাঠামো (ম্যাক্রোমোলিকুলার কাঠামো) গঠন করে, যা হীরার মতো। এই কাঠামোতে, প্রতিটি সিলিকন পরমাণু চারটি অক্সিজেন পরমাণুর সাথে টেট্রাহেড্রালি আবদ্ধ থাকে এবং প্রতিটি অক্সিজেন পরমাণু দুটি সিলিকন পরমাণুর মধ্যে সেতু হিসাবে কাজ করে। এর ফলে শক্তিশালী সমযোজী Si-O-Si বন্ধনীর একটি অবিচ্ছিন্ন 3D নেটওয়ার্ক তৈরি হয়।
- বন্ধন: SiO₂ এর সম্পূর্ণ স্ফটিক শক্তিশালী সমযোজী একক বন্ধনের একটি বিশাল নেটওয়ার্ক দ্বারা আবদ্ধ থাকে। সিলিকন, কার্বনের চেয়ে বড় হওয়ায়, Si=O দ্বিবন্ধনের পরিবর্তে চারটি শক্তিশালী Si-O একক বন্ধন তৈরি করতে পছন্দ করে। pπ-pπ দ্বিবন্ধন (Si=O) গঠন সিলিকনের জন্য অনুকূল নয় কারণ এর 3p অরবিটালগুলির বৃহত্তর আকার, যা অক্সিজেনের 2p অরবিটালগুলির সাথে কার্যকর পার্শ্বীয় ওভারল্যাপের জন্য খুব বিস্তৃত।
- ফলাফল: SiO₂ কে গলানো বা স্ফুটন করতে, পুরো নেটওয়ার্ক জুড়ে এই বিস্তৃত এবং শক্তিশালী সমযোজী বন্ধনগুলি ভাঙতে প্রচুর শক্তির প্রয়োজন হয়। অতএব, SiO₂ ঘরের তাপমাত্রায় একটি শক্ত, উচ্চ গলনাঙ্কের কঠিন পদার্থ (গলনাঙ্ক ≈ 1710 °C)।
সংক্ষেপে, মূল পার্থক্যটি কার্বনের স্থিতিশীল pπ-pπ একাধিক বন্ধন (C=O) গঠন করার ক্ষমতার মধ্যে নিহিত, যা বিচ্ছিন্ন আণবিক একক তৈরি করে, যেখানে সিলিকনের শক্তিশালী σ বন্ধন গঠনের পছন্দ এবং অক্সিজেনের সাথে স্থিতিশীল pπ-pπ একাধিক বন্ধন গঠন করতে অক্ষমতা একটি বিস্তৃত বিশাল সমযোজী নেটওয়ার্ক কাঠামোর দিকে পরিচালিত করে।