তামা (Cu) রসায়ন: অনুশীলন প্রশ্ন

বহু-নির্বাচনী প্রশ্ন (MCQs)

প্রশ্ন 1

তামার সম্পর্কে নিম্নলিখিত বিবৃতিগুলির মধ্যে কোনটি ভুল? ক) Cu$^+$ ডায়াম্যাগনেটিক। খ) Cu$^\{2+\}$ যৌগগুলি সাধারণত রঙিন হয়। গ) তামা লঘু হাইড্রোক্লোরিক অ্যাসিডের সাথে বিক্রিয়া করে হাইড্রোজেন গ্যাস উৎপন্ন করে। ঘ) Cu$^+$ জলীয় দ্রবণে ডিসপ্রোপোরশনেশন হয়।

সমাধান

সঠিক উত্তর হল গ)।

• ব্যাখ্যা:
  • ক) Cu$^+$ এর ইলেকট্রন বিন্যাস হল [Ar]3d$^\{10\}$। সমস্ত ইলেকট্রন জোড়বদ্ধ অবস্থায় থাকে, যা এটিকে ডায়াম্যাগনেটিক করে তোলে। এই বিবৃতিটি সঠিক।
  • খ) Cu$^\{2+\}$ এর ইলেকট্রন বিন্যাস হল [Ar]3d$^9$। এতে একটি অযুগ্ম ইলেকট্রন থাকে, যা d-d স্থানান্তরের দিকে পরিচালিত করে। এটি আলোর নির্দিষ্ট তরঙ্গদৈর্ঘ্য শোষণ করে এবং অন্যদের নির্গত করে, যার ফলে রঙ উৎপন্ন হয় (সাধারণত জলীয় দ্রবণে নীল বা সবুজ)। এই বিবৃতিটি সঠিক।
  • গ) তামা হাইড্রোজেনের চেয়ে কম সক্রিয় এবং লঘু হাইড্রোক্লোরিক অ্যাসিড বা লঘু সালফিউরিক অ্যাসিডের মতো নন-অক্সিডাইজিং অ্যাসিডের সাথে বিক্রিয়া করে হাইড্রোজেন গ্যাস উৎপন্ন করে না। এটি জারক অ্যাসিডের (যেমন, HNO$_3$, গাঢ় H$_2$SO$_4$) সাথে বিক্রিয়া করে। এই বিবৃতিটি ভুল।
  • ঘ) Cu$^+$ জলীয় দ্রবণে অস্থির এবং Cu$^\{2+\}$ এবং Cu(s)-এ ডিসপ্রোপোরশনেশন হয়। 2Cu$^+$(aq) → Cu$^\{2+\}$(aq) + Cu(s) বিক্রিয়ার জন্য প্রমাণ ইলেকট্রোড বিভব ধনাত্মক (+0.37 V), যা স্বতঃস্ফূর্ততা নির্দেশ করে। এই বিবৃতিটি সঠিক।

প্রশ্ন 2

তামার কুচি গাঢ় নাইট্রিক অ্যাসিডে যোগ করা হয়। নির্গত গ্যাসটি হল: ক) NO খ) NO$_2$ গ) N$_2$O ঘ) NH$_3$

সমাধান

সঠিক উত্তর হল খ)।

• ব্যাখ্যা:
  • তামা গাঢ় নাইট্রিক অ্যাসিডের সাথে বিক্রিয়া করে নাইট্রোজেন ডাইঅক্সাইড (NO$_2$), একটি লালচে-বাদামী গ্যাস, সেইসাথে কপার নাইট্রেট এবং জল উৎপন্ন করে।
  • বিক্রিয়াটি হল: Cu(s) + 4HNO$_3$(conc) → Cu(NO$_3$)$_2$(aq) + 2NO$_2$(g) + 2H$_2$O(l)
  • লঘু নাইট্রিক অ্যাসিডের সাথে, তামা নাইট্রিক অক্সাইড (NO) উৎপন্ন করে, যা বর্ণহীন কিন্তু বাতাসের সংস্পর্শে এসে লালচে-বাদামী হয়ে যায় (NO$_2$-তে জারণের কারণে)।
  • লঘু HNO$_3$ এর সাথে বিক্রিয়াটি হল: 3Cu(s) + 8HNO$_3$(dil) → 3Cu(NO$_3$)$_2$(aq) + 2NO(g) + 4H$_2$O(l)

প্রশ্ন 3

কপার সালফেটের একটি জলীয় দ্রবণ অতিরিক্ত জলীয় অ্যামোনিয়ার সাথে মিশ্রিত করা হয়। ফলস্বরূপ দ্রবণের রঙ হবে: ক) Blue খ) Deep blue গ) Green ঘ) Colourless

সমাধান

সঠিক উত্তর হল খ)।

• ব্যাখ্যা:
  • যখন কপার সালফেট দ্রবণে জলীয় অ্যামোনিয়া যোগ করা হয়, তখন প্রথমে কপার(II) হাইড্রোক্সাইডের, Cu(OH)$_2$, একটি হালকা নীল অধঃক্ষেপ তৈরি হয়: CuSO$_4$(aq) + 2NH$_4$OH(aq) → Cu(OH)$_2$(s) + (NH$_4$)$_2$SO$_4$(aq)
  • অতিরিক্ত জলীয় অ্যামোনিয়া যোগ করার পরে, অধঃক্ষেপটি দ্রবীভূত হয়ে একটি গাঢ় নীল দ্রবণীয় কমপ্লেক্স, টেট্রাঅ্যামিনকপার(II) আয়ন, [Cu(NH$_3$)$_4$]$^\{2+\}$ তৈরি করে: Cu(OH)$_2$(s) + 4NH$_3$(aq) → [Cu(NH$_3$)$_4$]$^\{2+\}$(aq) + 2OH$^-$(aq)
  • এই গাঢ় নীল রঙ বৈশিষ্ট্যপূর্ণ এবং প্রায়শই Cu$^\{2+\}$ আয়নের পরীক্ষার জন্য ব্যবহৃত হয়।

অ্যাসারশন-রিজন প্রশ্ন

নিম্নলিখিত প্রশ্নগুলিতে দুটি বিবৃতি রয়েছে, একটি অ্যাসারশন (A) এবং অন্যটি রিজন (R) হিসাবে চিহ্নিত। উভয় বিবৃতি সাবধানে পরীক্ষা করুন এবং নিম্নলিখিত বিকল্পগুলি থেকে সঠিকটি নির্বাচন করুন: ক) A এবং R উভয়ই সত্য, এবং R হল A এর সঠিক ব্যাখ্যা। খ) A এবং R উভয়ই সত্য, কিন্তু R হল A এর সঠিক ব্যাখ্যা নয়। গ) A সত্য, কিন্তু R মিথ্যা। ঘ) A মিথ্যা, কিন্তু R সত্য।

প্রশ্ন 1

অ্যাসারশন (A): Cu$^+$ আয়ন ডায়াম্যাগনেটিক। রিজন (R): Cu$^+$ আয়নের একটি সম্পূর্ণ পূর্ণ d-অরবিটাল (3d$^\{10\}$) রয়েছে।

সমাধান

সঠিক উত্তর হল ক)।

• ব্যাখ্যা:
  • অ্যাসারশন (A) বলে যে Cu$^+$ ডায়াম্যাগনেটিক। এটি সত্য। ডায়াম্যাগনেটিজম অযুগ্ম ইলেকট্রনের অনুপস্থিতি থেকে উদ্ভূত হয়।
  • রিজন (R) বলে যে Cu$^+$ এর একটি সম্পূর্ণ পূর্ণ d-অরবিটাল (3d$^\{10\}$) রয়েছে। এটিও সত্য। Cu এর ইলেকট্রন বিন্যাস হল [Ar]3d$^\{10\}$4s$^1$। যখন এটি একটি ইলেকট্রন হারিয়ে Cu$^+$ তৈরি করে, তখন এর বিন্যাস [Ar]3d$^\{10\}$ হয়, যার অর্থ এর সমস্ত 3d ইলেকট্রন জোড়বদ্ধ থাকে।
  • যেহেতু একটি সম্পূর্ণ পূর্ণ d-অরবিটাল (3d$^\{10\}$) নির্দেশ করে যে সমস্ত ইলেকট্রন জোড়বদ্ধ, এটি সরাসরি ব্যাখ্যা করে কেন Cu$^+$ ডায়াম্যাগনেটিক। অতএব, R হল A এর সঠিক ব্যাখ্যা।

প্রশ্ন 2

অ্যাসারশন (A): তামা বিদ্যুতের একটি চমৎকার পরিবাহী। রিজন (R): তামার প্রথম আয়নীকরণ এনথালপি কম।

সমাধান

সঠিক উত্তর হল খ)।

• ব্যাখ্যা:
  • অ্যাসারশন (A) বলে যে তামা বিদ্যুতের একটি চমৎকার পরিবাহী। এটি সত্য। তামার ধাতব কাঠামোর কারণে এটি অন্যতম সেরা বিদ্যুৎ পরিবাহী।
  • রিজন (R) বলে যে তামার প্রথম আয়নীকরণ এনথালপি কম। অনেক অধাতুর তুলনায় এটিও সত্য, যা এটিকে সহজেই তার যোজ্যতা ইলেকট্রন হারাতে দেয়।
  • তবে, তামার উচ্চ বৈদ্যুতিক পরিবাহিতার প্রত্যক্ষ কারণ হল ডি-লোকালাইজড যোজ্যতা ইলেকট্রনগুলির (প্রায়শই “ইলেকট্রনের সমুদ্র” বলা হয়) উপস্থিতি যা ধাতব জালিকার সর্বত্র অবাধে চলাচল করতে পারে, নির্দিষ্টভাবে এর কম আয়নীকরণ এনথালপি নয়। যদিও কম আয়নীকরণ এনথালপি ধাতব বন্ধন এবং এই মোবাইল ইলেকট্রনগুলির উপলব্ধিতে অবদান রাখে, এটি ইলেকট্রন সমুদ্র মডেলের পরিপ্রেক্ষিতে পরিবাহিতার প্রত্যক্ষ এবং একমাত্র ব্যাখ্যা নয়। অতএব, A এবং R উভয়ই সত্য, কিন্তু R হল A এর সঠিক ব্যাখ্যা নয়।

সংক্ষিপ্ত উত্তর প্রশ্ন

প্রশ্ন 1

ব্যাখ্যা করুন কেন Cu$^+$ আয়ন জলীয় দ্রবণে অস্থির কিন্তু Cu$^\{2+\}$ স্থিতিশীল।

মডেল উত্তর

Cu$^+$ আয়ন (ইলেকট্রন বিন্যাস [Ar]3d$^\{10\}$) জলীয় দ্রবণে অস্থির এবং ডিসপ্রোপোরশনেশন প্রক্রিয়ার মধ্য দিয়ে যায়, যার ফলে আরও স্থিতিশীল Cu$^\{2+\}$ আয়ন এবং কঠিন তামা উৎপন্ন হয়: 2Cu$^+$(aq) → Cu$^\{2+\}$(aq) + Cu(s)

এই ডিসপ্রোপোরশনেশন জলীয় মাধ্যমে স্বতঃস্ফূর্ত হয় কারণ:

1. আর্দ্রতা এনথালপি (Hydration Enthalpy): Cu$^+$ এর তুলনায় Cu$^\{2+\}$ এর আর্দ্রতা এনথালপি অনেক বেশি (বেশি ঋণাত্মক)। এটি Cu$^\{2+\}$ এর ছোট আকার এবং উচ্চ আধান ঘনত্বের কারণে ঘটে, যা জলের অণুগুলির সাথে শক্তিশালী মিথস্ক্রিয়া ঘটায়। এই বৃহৎ আর্দ্রতা শক্তি Cu$^+$ থেকে Cu$^\{2+\}$ গঠনের জন্য প্রয়োজনীয় উচ্চ দ্বিতীয় আয়নীকরণ এনথালপিকে ক্ষতিপূরণ দেয়।
2. ল্যাটিস এনথালপি (Lattice Enthalpy): কঠিন যৌগগুলির জন্য, Cu$^\{2+\}$ যৌগগুলির স্থিতিশীলতা সাধারণত Cu$^+$ যৌগগুলির চেয়ে বেশি হয়, কারণ Cu$^\{2+\}$ এর উচ্চ আধানের কারণে শক্তিশালী আয়নিক বন্ধন তৈরি হয়।
3. প্রমাণ ইলেকট্রোড বিভব (Standard Electrode Potentials): ডিসপ্রোপোরশনেশন বিক্রিয়ার জন্য প্রমাণ ইলেকট্রোড বিভব (E°) (E°cell = +0.37 V) ধনাত্মক, যা নির্দেশ করে যে বিক্রিয়াটি তাপগতীয়ভাবে অনুকূল।
   • Cu$^+$(aq) + e$^-$ → Cu(s) ; E° = +0.52 V
   • Cu$^\{2+\}$(aq) + e$^-$ → Cu$^+$(aq) ; E° = +0.15 V
   • এই বিক্রিয়ার স্বতঃস্ফূর্ত প্রকৃতি জলে Cu$^+$ এর অস্থিরতা নির্দেশ করে।

অন্যদিকে, Cu$^\{2+\}$ আয়ন (ইলেকট্রন বিন্যাস [Ar]3d$^9$) জলীয় দ্রবণে স্থিতিশীল কারণ এর উচ্চ আর্দ্রতা এনথালপি, যা এর গঠনের জন্য প্রয়োজনীয় শক্তিকে উল্লেখযোগ্যভাবে পূরণ করে।

প্রশ্ন 2

তামার সাথে গাঢ় সালফিউরিক অ্যাসিডের জারক প্রকৃতি চিত্রিত করার জন্য দুটি বিক্রিয়া দিন।

মডেল উত্তর

গাঢ় সালফিউরিক অ্যাসিড (H$_2$SO$_4$) একটি শক্তিশালী জারক হিসাবে কাজ করে, বিশেষ করে উত্তপ্ত হলে, এটি নিজেকে বিজারিত করে এবং তামার মতো কম সক্রিয় ধাতুগুলিকে জারিত করে। এখানে দুটি বিক্রিয়া দেওয়া হল:

1. তামার সাথে বিক্রিয়া (সালফার ডাইঅক্সাইড উৎপন্ন করে): যখন তামা গাঢ় সালফিউরিক অ্যাসিডের সাথে উত্তপ্ত করা হয়, তখন তামা কপার(II) সালফেটে জারিত হয় এবং সালফিউরিক অ্যাসিড সালফার ডাইঅক্সাইড গ্যাসে বিজারিত হয়। Cu(s) + 2H$_2$SO$_4$(conc) $\xrightarrow\{\text\{heat\}\}$ CuSO$_4$(aq) + SO$_2$(g) + 2H$_2$O(l) এই বিক্রিয়ায়, H$_2$SO$_4$ তে সালফারের জারণ অবস্থা +6 থেকে SO$_2$ তে +4 এ পরিবর্তিত হয়, যা বিজারণ নির্দেশ করে। তামার জারণ অবস্থা 0 থেকে +2 এ পরিবর্তিত হয়, যা জারণ নির্দেশ করে।

2. জারণ-বিজারণ পরিবর্তনের উপর আলোকপাত করে আরেকটি উপস্থাপন: এটি মূলত একই বিক্রিয়া তবে জারণ-বিজারণ অর্ধ-বিক্রিয়াগুলিকে আরও স্পষ্টভাবে তুলে ধরে: জারণ অর্ধ-বিক্রিয়া: Cu(s) → Cu$^\{2+\}$(aq) + 2e$^-$ বিজারণ অর্ধ-বিক্রিয়া: SO$_4^\{2-\}$(aq) + 4H$^+$(aq) + 2e$^-$ → SO$_2$(g) + 2H$_2$O(l) এগুলি একত্রিত করলে উপরে দেখানো সামগ্রিক বিক্রিয়াটি পাওয়া যায়। এটি স্পষ্টভাবে H$_2$SO$_4$ কে জারক পদার্থ হিসাবে প্রদর্শন করে।

উচ্চ-স্তরের চিন্তাভাবনার দক্ষতা (HOTS) প্রশ্ন

তামা +1 এবং +2 জারণ অবস্থা প্রদর্শন করে। এদের মধ্যে কোনটি জলীয় দ্রবণে বেশি স্থিতিশীল এবং কেন? প্রাসঙ্গিক তাপগতিবিদ্যা পরামিতি ব্যবহার করে ব্যাখ্যা করুন।

বিস্তারিত রাসায়নিক ব্যাখ্যা

জলীয় দ্রবণে, তামার +2 জারণ অবস্থা (Cu$^\{2+\}$) +1 জারণ অবস্থা (Cu$^+$) এর চেয়ে উল্লেখযোগ্যভাবে বেশি স্থিতিশীল। এই স্থিতিশীলতার পার্থক্য আয়নীকরণ এনথালপি এবং আর্দ্রতা এনথালপির মিথস্ক্রিয়া বিবেচনা করে ব্যাখ্যা করা যেতে পারে।

1. ইলেকট্রন বিন্যাস (Electronic Configuration):

   • Cu: [Ar]3d$^\{10\}$4s$^1$
   • Cu$^+$: [Ar]3d$^\{10\}$ (স্থিতিশীল, সম্পূর্ণ পূর্ণ d-সাবশেল)
   • Cu$^\{2+\}$: [Ar]3d$^9$ (অস্থিতিশীল, অসম্পূর্ণ d-সাবশেল, তবে দ্রবণে অস্থিতিশীল নাও হতে পারে)

2. আয়নীকরণ এনথালপি (Ionization Enthalpies):

   • Cu$^+$ গঠনের জন্য প্রথম আয়নীকরণ এনথালপি (Δ$_i$H$_1$) প্রয়োজন।
   • Cu$^\{2+\}$ গঠনের জন্য প্রথম এবং দ্বিতীয় আয়নীকরণ এনথালপির যোগফল (Δ$_i$H$_1$ + Δ$_i$H$_2$) প্রয়োজন।
   • যেহেতু দ্বিতীয় আয়নীকরণ এনথালপি (Δ$_i$H$_2$) সর্বদা প্রথমটির (Δ$_i$H$_1$) চেয়ে বেশি, তাই Cu$^+$ গঠনের চেয়ে Cu$^\{2+\}$ গঠনের জন্য উল্লেখযোগ্যভাবে বেশি শক্তির প্রয়োজন হয়। শুধুমাত্র আয়নীকরণ শক্তির দৃষ্টিকোণ থেকে, Cu$^+$ বেশি অনুকূল বলে মনে হয়।

3. আর্দ্রতা এনথালপি (Hydration Enthalpies):

   • যখন একটি আয়ন জলে স্থাপন করা হয়, তখন এটি আর্দ্রতা প্রাপ্ত হয়, যা আর্দ্রতা এনথালপি (Δ$_\{hyd\}$H) নামে পরিচিত শক্তি নির্গত করে। এই শক্তি আয়নটিকে স্থিতিশীল করে।
   • Cu$^+$ এর তুলনায় Cu$^\{2+\}$ এর আর্দ্রতা এনথালপি অনেক বেশি (বেশি ঋণাত্মক, অর্থাৎ, বেশি শক্তি নির্গত হয়)। এর কারণ হল:
     • উচ্চ আধান: Cu$^\{2+\}$ এর আধান Cu$^+$ এর দ্বিগুণ।
     • ছোট আয়নিক ব্যাসার্ধ: Cu$^\{2+\}$ এর আয়নিক ব্যাসার্ধ Cu$^+$ এর চেয়ে ছোট (উচ্চ কার্যকর নিউক্লীয় আধানের কারণে)।
   • এই কারণগুলি Cu$^\{2+\}$ আয়ন এবং মেরু জলীয় অণুগুলির মধ্যে একটি শক্তিশালী স্থিরতড়িৎ আকর্ষণ ঘটায়, যার ফলে উল্লেখযোগ্যভাবে বেশি আর্দ্রতা শক্তি উৎপন্ন হয়।

4. সামগ্রিক স্থিতিশীলতা এবং ডিসপ্রোপোরশনেশন (Overall Stability and Disproportionation): Cu$^\{2+\}$ এর বৃহৎ আর্দ্রতা এনথালপি Cu$^+$ থেকে দ্বিতীয় ইলেকট্রন অপসারণের জন্য প্রয়োজনীয় উচ্চ দ্বিতীয় আয়নীকরণ এনথালপিকে কার্যকরভাবে ক্ষতিপূরণ দেয়। জলীয় দ্রবণে Cu$^+$ এর অস্থিরতা এর ডিসপ্রোপোরশনেশন প্রবণতা থেকে স্পষ্ট: 2Cu$^+$(aq) → Cu$^\{2+\}$(aq) + Cu(s)

   এই বিক্রিয়ার স্বতঃস্ফূর্ততা মূল্যায়নের জন্য, আমরা প্রমাণ ইলেকট্রোড বিভব দেখি:

   • Cu$^+$ এর বিজারণ: Cu$^+$(aq) + e$^-$ → Cu(s); E° = +0.52 V
   • Cu$^\{2+\}$ এর বিজারণ: Cu$^\{2+\}$(aq) + e$^-$ → Cu$^+$(aq); E° = +0.15 V

   ডিসপ্রোপোরশনেশন বিক্রিয়া 2Cu$^+$(aq) → Cu$^\{2+\}$(aq) + Cu(s) এর জন্য, আমরা এটিকে এইভাবে বিবেচনা করতে পারি:

   • Cu$^+$(aq) → Cu$^\{2+\}$(aq) + e$^-$ (জারণ)
   • Cu$^+$(aq) + e$^-$ → Cu(s) (বিজারণ)

   এই ডিসপ্রোপোরশনেশনের জন্য প্রমাণ কোষ বিভব (E°cell) হল: E°cell = E°(Cu$^+$ এর বিজারণ) - E°(Cu$^\{2+\}$ থেকে Cu$^+$ এর বিজারণ) E°cell = (+0.52 V) - (+0.15 V) = +0.37 V

   যেহেতু E°cell ধনাত্মক (+0.37 V), জলীয় দ্রবণে Cu$^+$ এর ডিসপ্রোপোরশনেশন একটি স্বতঃস্ফূর্ত প্রক্রিয়া (ΔG° = -nFE°cell, সুতরাং ΔG° ঋণাত্মক হবে)। এর অর্থ হল Cu$^+$ তাপগতীয়ভাবে জলে অস্থির এবং সহজেই আরও স্থিতিশীল Cu$^\{2+\}$ এবং মৌলিক তামায় রূপান্তরিত হবে।

উপসংহার: Cu$^+$ এর একটি স্থিতিশীল 3d$^\{10\}$ বিন্যাস থাকা সত্ত্বেও এবং এর গঠনের জন্য কম শক্তি প্রয়োজন হলেও, Cu$^\{2+\}$ আয়নের উল্লেখযোগ্যভাবে বৃহত্তর আর্দ্রতা এনথালপি, এবং Cu$^+$ এর ডিসপ্রোপোরশনেশনের জন্য ধনাত্মক প্রমাণ ইলেকট্রোড বিভবের কারণে, Cu$^\{2+\}$ জারণ অবস্থা জলীয় দ্রবণে অধিক স্থিতিশীল।