কপার (Cu): পারমাণবিক গঠন এবং রাসায়নিক বন্ধন

পারমাণবিক পরামিতির পরিচিতি

কপার (Cu) পর্যায় সারণীর 11 নং গ্রুপ এবং 4 নং পর্যায়ে অবস্থিত একটি অবস্থান্তর ধাতু। এর পারমাণবিক গঠন এর রাসায়নিক ধর্মাবলী নির্ধারণ করে।

পারমাণবিক সংখ্যা ও ভর

• পারমাণবিক সংখ্যা (Z): 29। এটি প্রতিটি কপার পরমাণুর নিউক্লিয়াসে 29টি প্রোটন নির্দেশ করে।
• প্রোটন: 29।
• ইলেকট্রন: 29 (একটি নিরপেক্ষ কপার পরমাণুতে)।
• পারমাণবিক ভর: গড় পারমাণবিক ভর প্রায় 63.55 amu।
• আইসোটোপ: কপার প্রাকৃতিকভাবে দুটি স্থিতিশীল আইসোটোপ হিসাবে পাওয়া যায়:
  • কপার-63 (⁶³Cu): 29টি প্রোটন এবং 34টি নিউট্রন ধারণ করে (63 - 29 = 34)।
  • কপার-65 (⁶⁵Cu): 29টি প্রোটন এবং 36টি নিউট্রন ধারণ করে (65 - 29 = 36)।

সাবশেল ইলেকট্রন বিন্যাস

কপারের ইলেকট্রন বিন্যাস আউফবাউ নীতির একটি গুরুত্বপূর্ণ ব্যতিক্রম দেখায়, যা উন্নত স্থায়িত্বের দিকে পরিচালিত করে।

প্রমিত এবং সংক্ষিপ্ত রূপ

• প্রমিত বিন্যাস: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s¹
• সংক্ষিপ্ত বিন্যাস: [Ar] 3d¹⁰ 4s¹

বিন্যাসের ব্যতিক্রমের ব্যাখ্যা

আউফবাউ নীতি অনুসারে প্রত্যাশিত বিন্যাসটি [Ar] 3d⁹ 4s² হবে। তবে, একটি অর্ধপূর্ণ (d⁵) বা সম্পূর্ণ পূর্ণ (d¹⁰) d-সাবশেল অতিরিক্ত স্থায়িত্ব প্রদান করে। কপারের ক্ষেত্রে, 4s অরবিটাল থেকে একটি ইলেকট্রন 3d অরবিটালে স্থানান্তরিত হয় একটি সম্পূর্ণ পূর্ণ 3d¹⁰ বিন্যাস অর্জনের জন্য, যার ফলে একটি আরও স্থিতিশীল [Ar] 3d¹⁰ 4s¹ বিন্যাস হয়।

অরবিটাল চিত্রের ব্যাখ্যা

Cu-এর যোজ্যতা কক্ষের অরবিটাল চিত্র (ইলেকট্রন স্থানান্তরের পরে):

4s¹       3d¹⁰
[ ↑ ]     [ ↑↓ ] [ ↑↓ ] [ ↑↓ ] [ ↑↓ ] [ ↑↓ ]

• পাউলির বর্জন নীতি: প্রতিটি অরবিটালে বিপরীত স্পিন সহ সর্বাধিক দুটি ইলেকট্রন থাকতে পারে।
• হুন্ডের নীতি: ইলেকট্রনগুলি জোড় বাঁধার আগে অধঃপতিত অরবিটালগুলিতে এককভাবে প্রবেশ করে।
• শক্তি স্তর পূরণ: আউফবাউ নীতিতে 3d অরবিটালের আগে 4s অরবিটাল পূরণ হয়, কিন্তু বিনিময় শক্তি (exchange energy) বিবেচনার কারণে, নিরপেক্ষ পরমাণুর জন্য 3d¹⁰ 4s¹ বিন্যাসটি অধিক স্থিতিশীল।

যোজ্যতা ইলেকট্রন এবং যোজ্যতা

যোজ্যতা ইলেকট্রনের সংখ্যা এবং বন্ধনে তাদের প্রাপ্যতা কপারের সাধারণ জারণ অবস্থা নির্ধারণ করে।

যোজ্যতা ইলেকট্রন

• এর ভূমি অবস্থায়, কপারের একটি 4s ইলেকট্রন এবং দশটি 3d ইলেকট্রন থাকে।
• সর্ববহিঃস্থ ইলেকট্রন হল 4s¹ ইলেকট্রন। 3d¹⁰ ইলেকট্রনগুলি তুলনামূলকভাবে স্থিতিশীল তবে বন্ধনেও অংশ নিতে পারে, বিশেষ করে যখন উচ্চতর জারণ অবস্থা গঠন করে।

সাধারণ জারণ অবস্থা (যোজ্যতা)

কপার সাধারণত দুটি সাধারণ জারণ অবস্থা প্রদর্শন করে:

1. +1 (কিউপ্রাস): একটিমাত্র 4s¹ ইলেকট্রন হারানোর ফলে গঠিত হয়। ফলস্বরূপ আয়ন, Cu⁺, একটি স্থিতিশীল [Ar] 3d¹⁰ বিন্যাস ধারণ করে।
   • উদাহরণ: Cu₂O (কিউপ্রাস অক্সাইড), CuCl (কিউপ্রাস ক্লোরাইড)।
2. +2 (কিউপ্রিক): 4s¹ ইলেকট্রন এবং একটি 3d ইলেকট্রন হারানোর ফলে গঠিত হয়। ফলস্বরূপ আয়ন, Cu²⁺, একটি [Ar] 3d⁹ বিন্যাস ধারণ করে।
   • উদাহরণ: CuO (কিউপ্রিক অক্সাইড), CuSO₄ (কিউপ্রিক সালফেট)।
   • প্রাধান্য: জলীয় দ্রবণ এবং অনেক কঠিন যৌগে +2 জারণ অবস্থা সাধারণত +1 অবস্থার চেয়ে বেশি স্থিতিশীল এবং সাধারণ। এর কারণ হল ছোট, উচ্চ চার্জযুক্ত Cu²⁺ আয়নের সাথে সম্পর্কিত কঠিন যৌগে উচ্চ ল্যাটিস শক্তি এবং জলীয় দ্রবণে উচ্চ হাইড্রেশন শক্তি, যা প্রায়শই উচ্চতর দ্বিতীয় আয়নিকরণ শক্তিকে প্রতিস্থাপন করে।

কম সাধারণ জারণ অবস্থা

• +3: বিরল, K₃[CuF₆]-এর মতো জটিল যৌগগুলিতে পাওয়া যায়। বিন্যাসটি [Ar] 3d⁸ হবে।
• +4: অত্যন্ত বিরল, Cs₂[CuF₆]-এর মতো জটিল যৌগগুলিতে পাওয়া যায়। বিন্যাসটি [Ar] 3d⁷ হবে।

বন্ধন আচরণ

কপার প্রসঙ্গের উপর নির্ভর করে বিভিন্ন ধরনের বন্ধন প্রদর্শন করে, প্রধানত এর মৌলিক রূপে ধাতব বন্ধন এবং এর যৌগগুলিতে আয়নিক, সমযোজী এবং সন্নিবেশ বন্ধনের সংমিশ্রণ।

ধাতব বন্ধন

• মৌলিক কপার: এর কঠিন ধাতব অবস্থায়, কপারের পরমাণুগুলি শক্তিশালী ধাতব বন্ধন দ্বারা একত্রিত থাকে। 4s¹ যোজ্যতা ইলেকট্রনগুলি অস্থানিকৃত (delocalized) হয়, যা একটি “ইলেকট্রনের সমুদ্র” তৈরি করে যা ধনাত্মক চার্জযুক্ত কপার আয়ন (Cu⁺) এর ক্রিস্টাল ল্যাটিসের মাধ্যমে অবাধে চলাচল করে।
• ধর্মাবলী: এই অস্থানিকরণ কপারের চমৎকার তড়িৎ ও তাপ পরিবাহিতা, নমনীয়তা এবং প্রসার্যতার কারণ।

আয়নিক বন্ধন

• কপার উল্লেখযোগ্য আয়নিক বৈশিষ্ট্যযুক্ত যৌগ গঠন করে, বিশেষ করে অত্যন্ত তড়িৎ-ঋণাত্মক মৌলগুলির সাথে।
• Cu(I) যৌগসমূহ:
  • উদাহরণ: Cu₂O (কিউপ্রাস অক্সাইড)। কপার একটি ইলেকট্রন হারিয়ে Cu⁺ গঠন করে, অক্সিজেন দুটি ইলেকট্রন গ্রহণ করে O²⁻ গঠন করে। Cu₂O সূত্রটি চার্জের ভারসাম্যকে প্রতিফলিত করে।
  • উদাহরণ: CuCl (কিউপ্রাস ক্লোরাইড)। Cu⁺ এবং Cl⁻ আয়ন।
• Cu(II) যৌগসমূহ:
  • উদাহরণ: CuO (কিউপ্রিক অক্সাইড)। কপার দুটি ইলেকট্রন হারিয়ে Cu²⁺ গঠন করে, অক্সিজেন দুটি ইলেকট্রন গ্রহণ করে O²⁻ গঠন করে।
  • উদাহরণ: CuSO₄ (কিউপ্রিক সালফেট)। Cu²⁺ এবং SO₄²⁻ আয়ন।
  • সমযোজী বৈশিষ্ট্য: এমনকি এই “আয়নিক” যৌগগুলিতেও, বিশেষ করে Cu²⁺ আয়নের সাথে, ছোট, উচ্চ চার্জযুক্ত Cu²⁺ আয়নের বৃহৎ, পোলারাইজযোগ্য অ্যানায়নের উপর পোলারাইজেশন ক্ষমতার কারণে উল্লেখযোগ্য পরিমাণে সমযোজী বৈশিষ্ট্য থাকতে পারে।

সন্নিবেশ বন্ধন (জটিল যৌগ গঠন)

কপার একটি আদর্শ অবস্থান্তর ধাতু যা বিভিন্ন লিগ্যান্ডের সাথে অসংখ্য স্থিতিশীল সন্নিবেশ জটিল যৌগ (coordination complexes) গঠন করে।

• লিগ্যান্ড: অণু বা আয়ন (যেমন, NH₃, H₂O, CN⁻, Cl⁻, En) যা কেন্দ্রীয় কপার আয়নে ইলেকট্রন জোড় দান করে সন্নিবেশ বন্ধন গঠন করে।
• কেন্দ্রীয় ধাতব আয়ন: কপার একটি লুইস অ্যাসিড (ইলেকট্রন জোড় গ্রহীতা) হিসাবে কাজ করে।
• সাধারণ জ্যামিতি এবং সংকরায়ন:
  • Cu(I) জটিল যৌগসমূহ: প্রায়শই টেট্রাহেড্রাল বা রৈখিক হয়।
    • টেট্রাহেড্রাল (sp³ সংকরায়ন): উদাহরণ: [Cu(CN)₄]³⁻। Cu⁺ আয়ন (3d¹⁰) চারটি সায়ানাইড লিগ্যান্ড থেকে চারটি ইলেকট্রন জোড় গ্রহণ করে।
    • রৈখিক (sp সংকরায়ন): উদাহরণ: [CuCl₂]⁻ অথবা [Cu(CN)₂]⁻। Cu⁺ আয়ন (3d¹⁰) দুটি ইলেকট্রন জোড় গ্রহণ করে।
  • Cu(II) জটিল যৌগসমূহ: বেশিরভাগ ক্ষেত্রে বর্গাকার সমতলীয় হয়, তবে টেট্রাহেড্রাল বা অষ্টতলীয় (বিকৃত) ও হতে পারে।
    • বর্গাকার সমতলীয় (dsp² সংকরায়ন): এটি অনেক Cu(II) জটিল যৌগের বৈশিষ্ট্য (যার 3d⁹ বিন্যাস রয়েছে, যা অষ্টতলীয় জটিল যৌগগুলির জন্য জান-টেলার বিকৃতির দিকে পরিচালিত করে)। উদাহরণ: [Cu(NH₃)₄]²⁺ (টেট্রাঅ্যামিনকপার(II) আয়ন)। Cu²⁺ আয়ন (3d⁹) চারটি অ্যামোনিয়া লিগ্যান্ডের সাথে সন্নিবেশ বন্ধন গঠন করে। অযুগ্ম ইলেকট্রন একটি d অরবিটালে থাকে যা বন্ধনে জড়িত নয়।
    • বিকৃত অষ্টতলীয়: 3d⁹ বিন্যাসের কারণে, Cu(II)-এর অষ্টতলীয় জটিল যৌগগুলি সাধারণত জান-টেলার বিকৃতি (Jahn-Teller distortion) অনুভব করে, যা দীর্ঘায়িত বা সংকুচিত অক্ষীয় বন্ধনের দিকে পরিচালিত করে। উদাহরণ: [Cu(H₂O)₆]²⁺ (হেক্সাঅ্যাকুয়াকপার(II) আয়ন)।
• রঙ: d-d ইলেকট্রনীয় স্থানান্তরের কারণে অনেক কপার জটিল যৌগ তীব্র রঙিন হয়। উদাহরণস্বরূপ, [Cu(H₂O)₆]²⁺ নীল এবং [Cu(NH₃)₄]²⁺ গাঢ় নীল।