হিলিয়ামের রসায়ন (He) - অনুশীলন প্রশ্নাবলী

বহু নির্বাচনী প্রশ্ন (MCQs)

1. নিম্নলিখিত নিষ্ক্রিয় গ্যাসগুলির মধ্যে কোনটির স্ফুটনাঙ্ক সর্বনিম্ন?

A) Neon B) Argon C) Helium D) Krypton

সমাধান: C) Helium

ব্যাখ্যা: সমস্ত নিষ্ক্রিয় গ্যাসগুলির মধ্যে হিলিয়ামের পারমাণবিক আকার সবচেয়ে ছোট এবং পারমাণবিক ভর সর্বনিম্ন। ফলস্বরূপ, হিলিয়াম পরমাণুগুলির মধ্যে লন্ডন ডিসপারশন বল (এক ধরণের ভ্যান ডের ওয়ালস বল) সবচেয়ে দুর্বল। এই অত্যন্ত দুর্বল আন্তঃআণবিক বলগুলিকে অতিক্রম করার জন্য ন্যূনতম শক্তির প্রয়োজন হয়, যার ফলে হিলিয়ামের স্ফুটনাঙ্ক (প্রায় 4.2 K বা -269 °C) যে কোনো পরিচিত পদার্থের মধ্যে সর্বনিম্ন।

2. বেলুন ভরার জন্য হাইড্রোজেনের চেয়ে হিলিয়াম পছন্দ করা হয় কারণ:

A) হিলিয়াম হাইড্রোজেনের চেয়ে হালকা। B) হিলিয়ামের উত্তোলন ক্ষমতা বেশি। C) হিলিয়াম অদাহ্য। D) হিলিয়াম হাইড্রোজেনের চেয়ে সস্তা।

সমাধান: C) হিলিয়াম অদাহ্য।

ব্যাখ্যা: যদিও হাইড্রোজেন (H₂) হিলিয়াম (He) এর চেয়ে হালকা এবং সামান্য বেশি উত্তোলন ক্ষমতা প্রদান করে, তবে এর অত্যন্ত দাহ্য প্রকৃতি বেলুন, এয়ারশিপ এবং অন্যান্য অ্যাপ্লিকেশনে ব্যবহারের জন্য অত্যন্ত বিপজ্জনক করে তোলে যেখানে ফুটো হওয়ার সম্ভাবনা থাকে। হিলিয়াম, একটি নিষ্ক্রিয় গ্যাস হওয়ায়, অদাহ্য এবং রাসায়নিকভাবে অক্রিয়, যা কিছুটা ভারী এবং সাধারণত বেশি ব্যয়বহুল হওয়া সত্ত্বেও অনেক নিরাপদ বিকল্প সরবরাহ করে।

3. হিলিয়ামের ব্যতিক্রমী নিষ্ক্রিয়তার প্রধান কারণ হল এর:

A) ছোট পারমাণবিক আকার। B) উচ্চ আয়নন এনথালপি। C) সম্পূর্ণ ভরা যোজ্যতা কক্ষ। D) উপরের সবগুলি।

সমাধান: D) উপরের সবগুলি।

ব্যাখ্যা: হিলিয়ামের নিষ্ক্রিয়তা বেশ কয়েকটি কারণের সম্মিলিত প্রভাব:

• সম্পূর্ণ ভরা যোজ্যতা কক্ষ (1s²): এই স্থিতিশীল ডুপ্লেট কনফিগারেশন এটিকে ইলেকট্রনগতভাবে সন্তুষ্ট করে তোলে, ইলেকট্রন গ্রহণ, বর্জন বা ভাগ করে নেওয়ার কোনো প্রবণতা থাকে না।
• উচ্চ আয়নন এনথালপি: এর ছোট আকার এবং স্থিতিশীল ইলেকট্রন বিন্যাসের কারণে, একটি হিলিয়াম পরমাণু থেকে একটি ইলেকট্রন অপসারণ করতে উল্লেখযোগ্য পরিমাণ শক্তির প্রয়োজন হয়।
• কার্যত শূন্য ইলেকট্রন গ্রহণ এনথালপি: হিলিয়ামের একটি অতিরিক্ত ইলেকট্রন গ্রহণ করার কোনো প্রবণতা নেই।
• ছোট পারমাণবিক আকার: এটি এর উচ্চ আয়নন এনথালপি এবং এর ইলেকট্রন মেঘের নিবিড়, স্থিতিশীল প্রকৃতির ক্ষেত্রে অবদান রাখে।

দাবি-কারণ প্রশ্নাবলী

1.

দাবি (A): হিলিয়াম একটি এক-পারমাণবিক গ্যাস। কারণ (R): হিলিয়ামের একটি সম্পূর্ণ ভরা যোজ্যতা ইলেকট্রন কক্ষপথ রয়েছে, যা এটিকে রাসায়নিকভাবে অক্রিয় করে তোলে। 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: A) A এবং R উভয়ই সত্য, এবং R হল A এর সঠিক ব্যাখ্যা।

ব্যাখ্যা: হিলিয়াম একক পরমাণু (এক-পারমাণবিক) হিসাবে বিদ্যমান কারণ এর সম্পূর্ণ ভরা 1s² যোজ্যতা ইলেকট্রন কক্ষপথ ব্যতিক্রমী ইলেকট্রনগত স্থিতিশীলতা প্রদান করে। এই স্থিতিশীলতার অর্থ হল হিলিয়াম পরমাণুর স্থিতিশীল বিন্যাস অর্জনের জন্য অন্য পরমাণুর সাথে সমযোজী বন্ধন তৈরি করার কোনো প্রবণতা নেই। কারণে উল্লিখিত রাসায়নিক নিষ্ক্রিয়তা ঠিক এই কারণেই এটি এক-পারমাণবিক থাকে।

2.

দাবি (A): গভীর সমুদ্রে ডুবুরিরা হিলিয়াম এবং অক্সিজেনের মিশ্রণ ব্যবহার করে। কারণ (R): হিলিয়াম নাইট্রোজেনের চেয়ে রক্তে বেশি দ্রবণীয়। 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: C) A সত্য, কিন্তু R মিথ্যা।

ব্যাখ্যা: গভীর সমুদ্রে ডুবুরিরা হিলিয়াম এবং অক্সিজেনের মিশ্রণ (প্রায়শই সামান্য পরিমাণে নাইট্রোজেন সহ) ব্যবহার করে “বেন্ডস” (ডিকম্প্রেশন সিকনেস) প্রতিরোধ করতে। জলের নিচে উচ্চ চাপে, সাধারণ বাতাসের নাইট্রোজেন রক্ত এবং শরীরের টিস্যুতে উল্লেখযোগ্যভাবে দ্রবীভূত হয়। দ্রুত উপরে ওঠার সময়, চাপের হ্রাস দ্রবীভূত নাইট্রোজেনকে দ্রবণ থেকে বুদবুদ আকারে বের করে আনে, যা ব্যথা, টিস্যুর ক্ষতি এবং সম্ভাব্য মারাত্মক অবস্থার কারণ হয়। হিলিয়াম বেছে নেওয়া হয় কারণ এটি নাইট্রোজেনের চেয়ে রক্তে উল্লেখযোগ্যভাবে কম দ্রবণীয়, যার ফলে ডিকম্প্রেশনের সময় বুদবুদ তৈরি কম হয়। অতএব, দাবি (A) সত্য, কিন্তু কারণ (R) মিথ্যা।

সংক্ষিপ্ত উত্তর প্রশ্নাবলী

1. ব্যাখ্যা কর কেন হিলিয়ামের রাসায়নিক বন্ধন গঠনের প্রবণতা খুব কম।

মডেল উত্তর: হিলিয়ামের ইলেকট্রন বিন্যাস হল 1s²। এটি একটি সম্পূর্ণ ভরা যোজ্যতা ইলেকট্রন কক্ষপথ (একটি স্থিতিশীল ডুপ্লেট) নির্দেশ করে। অষ্টক নিয়ম (বা প্রথম পর্যায়ের জন্য ডুপ্লেট নিয়ম) অনুসারে, পরমাণুগুলি এমন একটি স্থিতিশীল বিন্যাস অর্জন করতে চায়। যেহেতু হিলিয়ামের ইতিমধ্যেই এই ব্যতিক্রমী স্থিতিশীল ইলেকট্রন বিন্যাস রয়েছে, তাই এর রয়েছে:

1. খুব উচ্চ আয়নন এনথালপি: একটি ইলেকট্রন অপসারণ করতে প্রচুর পরিমাণে শক্তির প্রয়োজন হয়।
2. কার্যত শূন্য ইলেকট্রন গ্রহণ এনথালপি: এর একটি অতিরিক্ত ইলেকট্রন গ্রহণ করার কোনো প্রবণতা নেই।
3. ইলেকট্রন ধারণ বা বন্ধনে অংশগ্রহণের জন্য উপযুক্ত শক্তির কোনো খালি অরবিটাল নেই। ফলস্বরূপ, হিলিয়াম পরমাণুর ইলেকট্রন গ্রহণ, বর্জন বা ভাগ করে নেওয়ার কোনো প্রয়োজন নেই, যা রাসায়নিক বন্ধন গঠনের মৌলিক প্রক্রিয়া। এই অন্তর্নিহিত ইলেকট্রনগত স্থিতিশীলতা হিলিয়ামকে রাসায়নিকভাবে অক্রিয় করে তোলে এবং স্বাভাবিক অবস্থায় এর রাসায়নিক বন্ধন গঠনের প্রবণতা খুব কম হয়।

2. হিলিয়ামের দুটি গুরুত্বপূর্ণ ব্যবহার উল্লেখ কর এবং প্রতিটির জন্য একটি বৈজ্ঞানিক কারণ দাও।

মডেল উত্তর:

1. ক্রায়োজেনিক এজেন্ট (Cryogenic Agent): তরল হিলিয়ামের যে কোনো মৌলের মধ্যে সর্বনিম্ন স্ফুটনাঙ্ক রয়েছে (4.2 K বা -269 °C)। এই বৈশিষ্ট্যটি এটিকে অত্যন্ত কম তাপমাত্রা অর্জন এবং বজায় রাখার জন্য একটি অপরিহার্য ক্রায়োজেনিক এজেন্ট করে তোলে।
   • কারণ: এর ব্যতিক্রমী কম স্ফুটনাঙ্ক এটিকে ম্যাগনেটিক রেজোন্যান্স ইমেজিং (MRI) স্ক্যানার, নিউক্লিয়ার ম্যাগনেটিক রেজোন্যান্স (NMR) স্পেকট্রোমিটার এবং কণা এক্সিলারেটরে ব্যবহৃত সুপারকন্ডাক্টিং ম্যাগনেটগুলিকে শীতল করার জন্য আদর্শ করে তোলে, যেখানে সুপারকন্ডাকটিভিটি অর্জনের জন্য পরম শূন্যের কাছাকাছি তাপমাত্রা প্রয়োজন।
2. বেলুন এবং এয়ারশিপ ভরা: হিলিয়াম হাইড্রোজেনের পরে দ্বিতীয় হালকা গ্যাস এবং এটি অদাহ্য।
   • কারণ: এর নিষ্ক্রিয়তা (অদাহ্যতা) আবহাওয়া বেলুন, আবহাওয়া সংক্রান্ত বেলুন এবং এয়ারশিপের মতো উত্তোলন অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য হাইড্রোজেন অপেক্ষা এটিকে অনেক বেশি নিরাপদ করে তোলে। যদিও হাইড্রোজেন হালকা, এর চরম দাহ্যতা গুরুতর নিরাপত্তা ঝুঁকি তৈরি করে (যেমন হাইডেনবার্গ বিপর্যয় দ্বারা মর্মান্তিকভাবে প্রদর্শিত হয়েছিল), যা উচ্চতর খরচ এবং সামান্য বেশি ঘনত্ব থাকা সত্ত্বেও অক্রিয় হিলিয়ামকে পছন্দের পছন্দ করে তোলে।

উচ্চ-স্তরের চিন্তন দক্ষতা (HOTS) প্রশ্ন

উল্লেখযোগ্যভাবে হালকা এবং উৎপাদন খরচ কম হওয়া সত্ত্বেও, বর্তমানে আবহাওয়া বেলুন বা এয়ারশিপ ভরার জন্য হাইড্রোজেন গ্যাস খুব কমই ব্যবহৃত হয়, যেখানে হিলিয়াম প্রধানত ব্যবহৃত হয়। এই পছন্দের একটি বিস্তারিত রাসায়নিক ব্যাখ্যা দাও।

বিস্তারিত রাসায়নিক ব্যাখ্যা:

আবহাওয়া বেলুন এবং এয়ারশিপের মতো উত্তোলন অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে হাইড্রোজেনের চেয়ে হিলিয়ামের ব্যাপক পছন্দের প্রাথমিক কারণ, হাইড্রোজেনের হালকা ভর এবং কম উৎপাদন খরচ সত্ত্বেও, তাদের মৌলিক রাসায়নিক বৈশিষ্ট্য, বিশেষত তাদের বিক্রিয়াশীলতা এবং দাহ্যতার মধ্যে নিহিত।

1. দাহ্যতা এবং বিক্রিয়াশীলতা:

   • হাইড্রোজেন (H₂): হাইড্রোজেন একটি অত্যন্ত দাহ্য গ্যাস। এটি বায়ুতে অক্সিজেনের সাথে ইগনিশনের পর তীব্রভাবে এবং তাপমোচীভাবে বিক্রিয়া করে জলীয় বাষ্প তৈরি করে: 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g) + Energy (Heat and Light) এই বিক্রিয়াটি বিস্ফোরক অগ্নিকাণ্ডের কারণ হতে পারে, যা একটি চরম নিরাপত্তা ঝুঁকি তৈরি করে। 1937 সালের কুখ্যাত হিন্ডেনবার্গ এয়ারশিপ বিপর্যয়, যদিও এর সঠিক কারণ বিতর্কিত, বৃহৎ আয়তনের আকাশযানগুলিতে দাহ্য হাইড্রোজেন ব্যবহারের বিপর্যয়কর পরিণতিগুলি নাটকীয়ভাবে তুলে ধরেছিল।
   • হিলিয়াম (He): হিলিয়াম একটি নিষ্ক্রিয় গ্যাস, যা পর্যায় সারণীর গ্রুপ 18-এর অন্তর্গত। এর ইলেকট্রন বিন্যাস (1s²) একটি সম্পূর্ণ ভরা যোজ্যতা কক্ষপথ (ডুপ্লেট), যা এটিকে ব্যতিক্রমীভাবে স্থিতিশীল এবং রাসায়নিকভাবে নিষ্ক্রিয় করে তোলে। হিলিয়াম স্বাভাবিক অবস্থায় অক্সিজেন, নাইট্রোজেন বা অন্য কোনো বায়ুমণ্ডলীয় উপাদানের সাথে বিক্রিয়া করে না। এটি অদাহ্য এবং অনিরুদাহ্য।

2. নিরাপত্তা বিবেচনা:

   • যেসব অ্যাপ্লিকেশনে প্রচুর পরিমাণে গ্যাস থাকে এবং ফুটো বা ফেটে যাওয়ার ঝুঁকি থাকে (যেমন, একটি বেলুন বজ্রপাতে আঘাতপ্রাপ্ত হওয়া, অবতরণের সময় ক্ষতিগ্রস্ত হওয়া, বা সময়ের সাথে সাথে কেবল ফুটো হওয়া), সেখানে হাইড্রোজেনের দাহ্যতা জীবন ও সম্পত্তির জন্য একটি অগ্রহণযোগ্য বিপদ তৈরি করে। যেকোনো স্ফুলিঙ্গ বা স্থির বিদ্যুৎ নির্গমন হাইড্রোজেনকে প্রজ্বলিত করতে পারে, যার ফলে দ্রুত এবং ধ্বংসাত্মক আগুন বা বিস্ফোরণ ঘটতে পারে।
   • অন্যদিকে, হিলিয়ামের নিষ্ক্রিয়তা নিরাপত্তা নিশ্চিত করে। এমনকি যদি একটি হিলিয়াম ভরা বেলুন ফেটে যায় বা ফুটো হয়, তবে দহন বা বিস্ফোরণের কোনো ঝুঁকি থাকে না, যা এটিকে মানুষের মিথস্ক্রিয়া বা জনবহুল এলাকার কাছাকাছি কার্যকলাপের জন্য অনেক নিরাপদ পছন্দ করে তোলে।

3. উত্তোলন ক্ষমতা বনাম ঝুঁকি:

   • যদিও হাইড্রোজেন (মোলার ভর ≈ 2 g/mol) হিলিয়ামের (মোলার ভর ≈ 4 g/mol) চেয়ে হালকা এবং প্রতি একক আয়তনে প্রায় 8% বেশি উত্তোলন ক্ষমতা প্রদান করে, তবে উত্তোলনের এই সামান্য বৃদ্ধি এর দাহ্যতার সাথে যুক্ত গুরুতর নিরাপত্তা ঝুঁকি দ্বারা সম্পূর্ণভাবে ঢাকা পড়ে যায়। হিলিয়ামের রাসায়নিক স্থিতিশীলতা এবং অদাহ্য প্রকৃতি হল সর্বাপেক্ষা গুরুত্বপূর্ণ নিরাপত্তা সুবিধা যা এটিকে পছন্দের পছন্দ করে তোলে, এমনকি হাইড্রোজেনের তুলনায় উচ্চতর খরচ এবং সামান্য কম উত্তোলন দক্ষতা থাকা সত্ত্বেও।

সংক্ষেপে, হিলিয়ামের রাসায়নিক নিষ্ক্রিয়তা, যা এর স্থিতিশীল ইলেকট্রন বিন্যাস থেকে উদ্ভূত, এটিই নির্ণায়ক কারণ যা হাইড্রোজেনের অর্থনৈতিক এবং ঘনত্বগত সুবিধার চেয়ে বেশি গুরুত্বপূর্ণ, যার ফলে হিলিয়াম নিরাপদ এরোস্ট্যাটিক অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য মানদণ্ড হয়ে উঠেছে।